close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3369.Гидротермическая обработка и консервирование древесины

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический
университет»
Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Л.Н. Герке
ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
И КОНСЕРВИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Лабораторный практикум
Допущено УМО по образованию в области
лесного Дале в качестве лабораторного практикума для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
дипломированного специалиста 150400 «Технологические машины и оборудование» по специальности 150405(170400) «Машины и оборудование лесного комплекса»
Казань
КГТУ
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 674.047.3
Сафин, Р.Р.
Гидротермическая обработка и консервирование древесины: Лабораторный практикум / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Л.Н.
Герке. 2010. - 87 c.
ISBN 978-5-7882-1084-1
Изложен лабораторный практикум к проведению лабораторных работ и задачи для самостоятельной проверки знаний, а
также необходимые при расчетах процессов гидротермической
обработки и консервирования древесины таблицы и диаграммы.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 250403.65 «Технология деревообработки» и 150405.65
«Машины и оборудование лесного комплекса».
Подготовлен на кафедре «Архитектура и дизайн изделий
из древесины».
Печатается по решению методической комиссии института
химического и нефтяного машиностроения.
Рецензенты: д-р техн. наук, зав. каф. ХТД В.Н. Башкиров
д-р техн. наук, профессор,
зав. каф. «Деталей машин» В.А. Лашков
зам. ген. директора ВКНИИЛП,
канд. техн. наук А.А. Аксянов
 Казанский государственный
технологический университет,
2010 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Под гидротермической обработкой древесины понимаются
процессы воздействия на неё тепла, влажного газа или жидкости
с целью изменения ее температуры и влажности или введения
веществ, улучшающих её технологические и эксплуатационные
характеристики.
Процессы гидротермической обработки базируются на физических явлениях переноса, и в частности на явлениях тепло- и
массообмена материала с окружающей средой. По своим особенностям и назначению они разделяются на три группы:
1. Процессы тепловой обработки, связанные с нагреванием
древесины и поддержанием её температуры в течение определенного времени на заданном уровне.
2. Процессы сушки, связанные со снижением влажности
древесины.
3. Процессы пропитки, связанные с введением в древесину
веществ, изменяющих её свойства.
Предметом данного курса является изучение основ теории
и методов решения задач по процессам тепловой обработки,
сушки и пропитки древесины.
-3-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 1
Построение экспериментальной кривой нагревания
Цель работы: приобретение навыков расчета процессов
нагревания древесины в жидкостях или насыщенном паре.
Описание экспериментальной установки
Нагревание образцов древесины производится в специальных установках, температура воды в которых автоматически
поддерживается на заданном уровне. Устройство установок,
форма и размеры образцов могут быть различными.
Рассмотрим устройство установок и методику проведения
лабораторной работы, принятую в КГТУ.
В лабораторной работе применяются ультратермостаты,
обеспечивающие поддержание с высокой точностью в широком
диапазоне температуры как положительных, так и отрицательных (совместно с аккумулятором холода) значений.
Ультратермостат имеет следующие технические характеристики:
220 в 50 Гц
- питание
- номинальная потребляемая мощность
1900 Вт
- диапазон регулирования мощности нагрева
от 600
до 1500 Вт
- диапазон номинальных температур
от –50
до +2000С
- точность регулирования температуры
± 0,050С
- производительность насоса
7 л/мин
- емкость бака термостатируемой жидкости
15 л
- вес нетто
27 кг
Ультратермостат состоит из двух основных узлов: узла бака термостатируемой жидкости и расположенного над ним узла
-4-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нагрева и управления (рис. 1.1). Бак 1 служит в качестве емкости
термостатирующей жидкости. Корпус бака 2 имеет форму пря-
Рис. 1.1. Конструкция ультратермостата (а) и зажимного
устройства (б):
1 – бак термостатируемой жидкости; 2 – корпус бака; 3 – основная плита; 4 – вороток подъемного устройства; 5 – насоссмеситель; 6 – корпус; 7 – выключатель нагревателя; 8 – выключатель насоса-смесителя; 9 – контрольная лампа «прибор
под напряжением»; 10 – контрольная лампа нагревателя; 11 –
ползун регулятора мощности; 12- нагреватель; 13 – контактный термометр; 14 – магнитная головка контактного термометра; 15 – контрольный термометр; 16 – образец; 17 –
нижняя пластина зажимного устройства; 18 – верхняя пластина зажимного устройства; 19 – датчик температуры;
20 – зажимная гайка
моугольного параллепипеда, в нижней части которого расположен сливной кран. Основная плита 3 является несущей конст-5-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рукцией для большинства узлов ультратермостата. Прибор оборудован подъемным устройством, расположенным в полости
бака 1, которое служит для перемещения в нем опытных образцов. Глубина погружения устанавливается воротником 4. Над
основной плитой 3 расположены нагревательный узел и электродвигатель насоса-смесителя 5, закрытые корпусом 6. На лицевой панели корпуса находятся: выключатель нагревателя 7;
выключатель насоса-смесителя 8; контрольная лампа «прибор
под напряжением» 9; контрольная лампа нагревателя 10; ползун
регулятора мощности нагрева 11.
Нагревательный узел состоит из системы разогрева и системы стабилизации температуры, которые выполнены на полупроводниках. Система разогрева обеспечивает максимальную
интенсивность нагрева жидкости в баке 3 нагревателем 12 с момента его включения до времени достижения заданной температуры. После достижения заданной температуры система автоматически переключается таким образом, что мощность, потребляемая регулятором, зависит от положения ползуна потенциометра 11.
Система стабилизации температуры работает по сигналам
контактного термометра 13, представляющего собой обычный
ртутно-стеклянный термометр, в капилляр которого введен подвижный контакт в виде тонкого проводника. Вторым контактом
является ртуть термометра. Перемещение подвижного контакта
при установке заданной температуры осуществляется поворотом
магнитной головки 14. В результате, благодаря магнитному полю, происходит поворот винта, посаженного во вращающихся,
но закрепленных от продольного перемещения упорах. Подвижный контакт перемещается по гайке, соединенной с винтом. Пока температура термостатируемой жидкости не достигнет заданной, ртуть не доходит до подвижного контакта, расположенного сверху, и нагреватель остается включенным. При достижении заданной температуры контакты замыкаются, и регулятор
-6-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вырабатывает сигнал на отключение нагревателя. Температуру
термостатируемой жидкости показывает контрольный термометр 15.
Приводимый от низкооборотного двигателя насоссмеситель обеспечивает выравнивание температуры по всему
объему термостатируемой жидкости. Температура древесины
измеряется с помощью термоэлементов (термопар). Действие
термопар основано на возникновении термоэлектродвижущей
силы в контуре, составленном из двух различных металлов (или
сплавов) со спаями, нагретыми до разных температур (эффект
Пельтье). Величина сигнала для каждой пары металлов зависит
только от температуры спаев. Наиболее распространенными являются термопары: медь-константановые, хромель-копелевые,
хромель-алюмелевые. В лабораторной работе используются широко применяемые в технике гидротермической обработки древесины хромель-копелевые термопары, устойчиво работающие в
окислительной среде и имеющие линейную градуировочную
кривую (зависимость меду температурой и развиваемой термопарой термоэлектродвижущей силой) при температуре до
100 0С. Термопара развивает термоэлектродвижущую силу, пропорциональную разности температур между горячим спаем, помещенным в измеряемую среду (в нашем случае древесина), и
так называемым холодным спаем. Цепь термопары состоит из
двух термоэлектродов и вторичного прибора, включенного в
разрыв одного из них.
В лабораторной работе для измерения температуры в качестве вторичного прибора используется многоканальный электронный автоматический самопишущий потенциометр типа
КСП-4. Потенциометр имеет систему компенсации погрешности
от непостоянства температуры холодных спаев термопар, расположенных на водных клеммах прибора. Запись измеряемых
температур производится на диаграммную ленту циклично отпечатываемыми точками и стоящими рядом цифрами, указы-7-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вающими номера измерительных каналов. Кинематическая схема привода печатающего барабана устроена так, что значения
температур конкретного канала печатаются через 144 с (2,4 мин)
независимо от скорости перемещения диаграммной ленты.
В лабораторной работе измеряется температура внутри
цилиндрических образцов древесины диаметрами 30-35 мм,
длиной 120-160 мм. Для этого горячие спаи термопар, вмонтированных в металлические защитные корпуса, плотно вставляются в отверстия, заранее высверленные в образцах.
Последовательность работы во время эксперимента
Образец взвешивают на технических весах и рассчитывают
его массу G н ; несколькими замерами определяют его расчетную длину l p и диаметр d p для вычисления объема V. Далее по
известной заранее массе образца в абсолютно сухом состоянии
G сух рассчитывают его влажность W и базисную плотность ρ б .
Все данные заносятся в рабочую тетрадь. Фиксируют и заносят
в тетрадь координату точки по толщине (рис. 1.2), где размещается горячий спай термопары Х / R (Х – наименьшее расстояние
по радиусу от центра отверстия до боковой поверхности, R радиус цилиндра).
Датчик температуры плотно, но без излишних усилий вводят в отверстие в образце. Далее образец 16 вставляют в зажимное устройство (см. рис. 1.1) между нижней (17) и верхней (18)
пластинами так, чтобы выступающая часть датчика 19 попала в
прорезь верхней пластины. После этого с помощью гайки 20 образец плотно фиксируют в зажимном устройстве. Включают потенциометр и одновременно с помощью воротка 4 опускают образец в воду так, чтобы ее уровень на 2-3 мм не доходил до его
торца.
-8-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.2. Схема размещения термопары в образце
Опыт заканчивается при полном прогреве древесины (показания потенциометра перестают изменяться и становятся равны температуре среды t c ). После достижения этого условия установка выключается и путем вращения воротка 4 зажимное
устройство вместе с образцами переводится в верхнее положение.
Снимается диаграммная лента, и записанные на ней значения температур t x (первое из которых соответствует начальной
температуре древесины t 0 ) переносятся в бланк наблюдений.
Величина скорости перемещения диаграммной ленты ω и тарировочный коэффициент K t согласовываются с руководителем
работы. Интервал времени ∆τ равен 144 с (2,4 мин).
После окончания опыта руководитель работы подписывает
бланк наблюдений. На основании бланка наблюдений на миллиметровой бумаге строится кривая нагревания t = f (τ) .
Построение расчетной кривой нагревания
Основные положения. Расчетная кривая нагревания древесины строится на основании аналитической зависимости между температурой t в определенной точке и временем τ . Как известно, эта связь выражена дифференциальным уравнением теплопроводности, которое используется для расчетов.
-9-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дифференциальное уравнение теплопроводности для одномерного цилиндра (перенос тепла только по радиусу) имеет
вид
(1.1)
 ∂ 2 t 1 ∂t 
∂t
.
= a
+
 ∂x 2 x ∂x 
∂τ


Здесь а – коэффициент температуропроводности, равный:
(1.2)
λ
a=
,
cρ
где λ - коэффициент теплопроводности тела; с – его удельная
теплоемкость; ρ - плотность; х – координата по направлению
радиуса цилиндра.
Краевые условия, необходимые для решения уравнения
(1.1), состоят из начальных и граничных условий. Наиболее естественные начальные условия предполагают равномерное (до
нагревания) распределение температуры t 0 по сечению:
(1.3)
t (τ = 0, x ) = t 0 = const .
Граничные условия (ГУ), характеризующие закон взаимодействия между средой и поверхностью тела, в общем случае можно
записать (ГУ III рода) в виде
(1.4)
dt
α ( t c − t п ) = −λ
,
dx x = 0
где α - коэффициент теплообмена; t c - температура среды;
t п - температура поверхности. В (1.4) принято, что начало отсчета координаты х находится на поверхности. ГУ, записанные
в (1.4), показывают, что температура поверхности t п в процессе нагревания постепенно повышается от начальной температуры t 0 до температуры среды t c .
В воде, также как и в насыщенном паре, процесс нагревания происходит весьма интенсивно, коэффициент теплообмена
α стремится к большой величине (в теплофизическом смысле –
- 10 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
к бесконечности), что при постоянном потоке тепла от поверхности к телу [правая часть уравнения (1.4)] приводит к тому, что
разность ( t c − t п ) стремится к нулю. Отсюда граничные условия
при интенсивном теплоподводе (ГУ I рода, являющиеся частным случаем ГУ III рода):
(1.5)
tп = tc .
Решение уравнения (1.1) при условиях (1.3) и (1.5) имеет
вид бесконечного ряда
∞
(1.6)
х
аτ
t c − t x = ( t c − t 0 ) ∑ A п J 0 (M п ) exp− (− M п2
),
R
n =1
R2
где А п и M п - соответственно начальная тепловая амплитуда
и корень характеристического уравнения, зависящие от порядкового номера члена ряда; J 0 - функция Бесселя первого рода
нулевого порядка.
Для практических целей аналитическое решение (1.6)
удобно представить в виде графической связи (рис. 1.3) между
безразмерными величинами (критериями), характерными для
данного процесса. Такими величинами являются:
- безразмерная температура θ
(1.7)
t − tx
θ= c
.
tc − t0
- критерий Фурье Fo
(1.8)
a⋅τ
Fо = 2 ,
R
где R – радиус цилиндра;
- безразмерная координата Х
(1.9)
x
X= .
R
При решении задач по нагреванию могут встретиться два
основных случая.
- 11 -
θ
0,1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.3. Графики для определения безразмерной температуры θ неограниченного (одномерного) цилиндра в зависимости
от критерия Fo и безразмерной координаты ГУ I рода
- 12 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Определение температуры в точке по заданному времени:
(1.10)
t = f (τ, x ) .
В безразмерном виде этой записи соответствует уравнение
(1.11)
θ = f (Fо, X) .
Здесь по заданному времени τ подсчитывают по уравнению
(1.8) величину критерия Fо и по ней и известной величине безразмерной координаты Х определяют из номограммы значение
безразмерной температуры θ . Получив величину θ , из уравнения (1.7) нетрудно установить при известных условиях (температура среды и начальная температура древесины) искомую
температуру тела в точке х:
(1.12)
t x = t c − θ( t c − t 0 ) .
2. Определение времени по заданной температуре тела в
точке:
(1.13)
τ = f (t x , x) .
Аналогом уравнения (1.13) в безразмерном виде является выражение
(1.14)
Fо = f (θ, X) .
Здесь по заданной температуре тела t x подсчитывают по (1.7)
её безразмерную величину θ и по ней и известной величине
безразмерной координаты Х определяют из номограммы значение критерия Фурье Fо . Из (1.8) искомое время будет
(1.15)
Fо ⋅ R 2
τ=
.
a
Последовательность построения расчетной (теоретической) кривой нагревания. Для построения теоретической кривой нагревания необходимо знание ряда исходных данных
( t c , t 0 , W, ρ б ), которые берутся из опыта. Теоретическая кривая
наносится на ту же диаграмму, что и экспериментальная кривая,
- 13 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
начинается от t 0 и кончается при t x = t c . Она строится по 1015 точкам в соответствии с количеством задаваемых в интервале
( t 0 − t c ) значений t x .
При нахождении точек для теоретической кривой целесообразно соблюдать следующую последовательность:
1) Задаются величиной t x в диапазоне ( t 0 − t c ) и подсчитывают соответствующее значение θ по формуле (1.7). Диапазон ( t 0 − t c ) может при этом быть разбит на равные интервалы,
или значения t x могут задаваться в соответствии с теми дискретными значениями, которые пробиваются на ленте потенциометра.
2) По величинам θ и Х, используя номограмму (1.3), определяют число Fо .
3) Для каждой величины t x определяют расчетное значение температуры древесины t p для определения ее теплофизических параметров:
(1.16)
t + t x + 2t 0
tp = c
.
4
4) Используя диаграмму, изображенную на рис. 1.4, по расчетной температуре t p и установленной в опыте влажности W,
находят величины номинального коэффициента теплопроводности древесины λ ном. .
5) Устанавливают поправочные коэффициенты на плотность древесины Кρ λ по базисной плотности (рис. 1.5).
6) По значениям λ ном , Кρ λ подсчитывают расчетные значения коэффициента теплопроводности древесины λ р :
λ p = λ ном ⋅ Кρ λ .
- 14 -
(1.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.4. Диаграмма коэффициента теплопроводности
( λ ном.) при Q усл. = 500 кг/м и радиальном токе тепла
Рис. 1.5. График поправочного коэффициента на плотность
древесины
- 15 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7) По известным значениям расчетной температуры t p и
влажности древесины W определяют по графикам, изображенным рис. 1.6, величину удельной теплоемкости древесины.
8) По известной из опыта влажности древесины W и ее базисной плотности ρ б определяют фактическую плотность древесины ρ (при влажности древесины выше 30%) по формуле
(1.18)
W

ρ = ρ б 1 +
.
 100 
Рис. 1.6. Диаграмма удельной теплоемкости древесины
- 16 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9) По полученным значениям λ р , С и ρ подсчитывают
коэффициент температуропроводности а согласно (1.2).
10) По формуле (1.15) подсчитывают время τ для каждого
значения заданной текущей температуры древесины t x .
Все расчетные данные заносятся в соответствующую таблицу отчетного бланка, по которой затем строится расчетный
график t x = f (τ) . По согласованию с преподавателем вместо
раздельного определения величин λ р , С и ρ , подставляемых в
выражение (1.2), можно сразу по t p и W определять величину
коэффициента температуропроводности а, для чего требуется
найти его номинальное значение a ном (рис. 1.7) и поправку на
плотность Кρ а (рис. 1.8), которая отличается от поправки
Кρ λ .
Рис. 1.7. Диаграмма коэффициента температуропроводности древесины при ρ δ = 500 кг/м3, W≥ =30% и радиальном
токе тепла
- 17 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.8. График поправочного коэффициента на плотность
древесины
Контрольные вопросы
1. В чем состоит последовательность расчета температуры
тела (цилиндр, пластина) в заданной точке при нагревании в воде (насыщенном паре) по известному времени?
2. В чем состоит последовательность расчета времени, необходимого для нагревания тела (цилиндр, пластина) в определенной точке до заданной температуры?
3. В чем состоит принцип расчета температуры в определенной точке многомерного тела (ограниченный цилиндр, двухи трехмерная пластина) при нагревании в воде (насыщенном паре) по заданному времени?
4. Какими причинами можно объяснить существенное расхождение между экспериментальной и расчетной температурными кривыми нагревания, полученными в лабораторной работе?
- 18 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 2
Расчет продолжительности сушки
единичного пиломатериала
Цель работы: приобретение навыков расчета параметров
процесса сушки для случаев низко- и высокотемпературных
процессов графоаналитическим способом.
Теоретическая часть
Важной для практики является задача определения продолжительности сушки древесины до нужной конечной влажности при известном состоянии сушильного агента. Для получения
практически пригодных решений приходится прибегать к допущениям, характер которых зависит от особенностей и механизма
процесса.
Низкотемпературный процесс. Начальная влажность
W < Wн.н . Продолжительность сушки может быть найдена с
использованием закона влагопроводности. Изменение влагосодержания в произвольной точке одномерного тела по времени
описывается уравнением
(2.1)
∂u
∂ 2u
= a'
∂τ
∂x 2
при граничном условии
(2.2)
 ∂u 
a'  
= α ' (u пов − u у ) ,
 ∂τ  x = 0
где а ' - коэффициент влагопроводности; α ' - коэффициент влагообмена; u пов , u у - влагосодержание поверхности тела и устойчивое влагосодержание, соответствующее состоянию среды.
Приближенное решение уравнения (2.1) относительно продолжительности сушки неограниченной пластины толщиной
- 19 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
S = (2R ) до средней конечной влажности Wк при равномерной
влажности Wн приводит к формуле
(2.3)
S 2  π 2 a '   Wн − Wу 
τ=
1+
ln B
,
π 2 a '  2α 'S   Wк − Wу 
которая через безразмерные критерии записывается в виде
(2.4)
S 2 
π 2   1 
τ=
1+
ln B  ,
π 2 a '  4Bi   θ ' 
Wк − Wу
- безразмерная влажность; В – параметр, вегде θ ' =
Wн − Wу
личина которого зависит от Bi (влагообменный критерий Био)
Bi = (α ' / а ' )(S / 2) - см. табл. 2.1.
Для расчетов по уравнениям (2.3), (2.4) коэффициент влагопроводности а ' определяется в зависимости от базисной плотности древесины и температуры (рис. 2.1), а коэффициент влагообмена α ' - в зависимости от степени насыщенности ϕ , скорости сушильного агента и температуры (рис. 2.2). При исчислении S (см), α ' (см/с) продолжительность сушки по этим уравнениям получается в секундах.
Пользоваться приведенной на рис. 1 диаграммой влагопроводности не всегда удобно, так как реальная базисная плотность и особенности древесины в сортиментах (ядро, заболонь)
часто бывают неизвестны. Для таких случаев рекомендуется
диаграмма расчетных (усредненных между радиальным и тангенциальным направлениями) коэффициентов влагопроводности
древесины главных промышленных пород (рис. 2.3).
Равновесную влажность Wу , являющуюся функцией температуры и насыщенности агента обработки, можно определить,
пользуясь диаграммой, представленной на рис. 2.4.
- 20 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.1. Диаграмма коэффициента влагопроводности
древесины в тангенциальном направлении
Рис. 2.2. Диаграмма коэффициента влагообмена α'
- 21 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.3. Диаграмма расчетных коэффициентов влагопроводности древесины поперек волокон: 1 – сосны; 2 – березы;
3 – бука; 4 – лиственницы; 5 – дуба
Рис. 2.4. Диаграмма равновесной влажности древесины
- 22 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Уравнения (2.3), (2.4), выведенные для неограниченной
пластины, могут непосредственно использоваться только для
древесных сортиментов, длина и ширина которых существенно
превышают толщину. В расчетах продолжительности сушки досок и заготовок можно принимать неограниченной только длину. Рекомендуется рассчитывать продолжительность сушки прямоугольного сортимента, подставляя в формулу (2.3) вместо S
его наименьший размер (то есть толщину S1 ) и умножая полученный результат на поправочный коэффициент c τ , учитывающий двухмерность доски:
(2.5)
τ пр = с τ τ s1 .
Коэффициент c τ зависит от отношения S1 / S 2 и определяется
по диаграмме (рис. 2.5). При допущении, что Bi → ∞ (для сортиментов толщиной более 20 мм), (2.4) можно применять в виде
(2.6)

S2
1
τ пр =
ln 0.81  .
π2a ' 
θ' 
Низкотемпературный процесс. Начальная влажность
W > Wп.н. . В этом случае определение продолжительности
сушки на базе уравнений (2.3), (2.6) дает значительную погрешность (15-30%). Это
обусловлено
сложностью характера переноса влаги в капиллярнопористом коллоидном
теле, находящемся как в
связанном, так и в свободном состоянии. Однако для практических
расчетов их применят
ввиду отсутствия другой простой методики.
Рис. 2.5. Диаграмма коэффициента с τ
- 23 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Типично высокотемпературный прогресс. Уравнение
продолжительности сушки в первом периоде имеет вид
(2.7)
Sρ б r ( Wн − Wпер )  1 S 
τ1 =
⋅ +
.
200( t c − t к )
 α 4λ 
Это уравнение определяет полную продолжительность первого
периода процесса до момента выпаривания последней порции
свободной влаги из центральной зоны (до Wпер ≈ 20% ). Если
процесс заканчивается раньше этого времени, продолжительность сушки определяется уравнением
(2.8)
Sρ б r ( Wн − Wпер )  1 S  Wн + Wк 


τ=
 +
.
200( t c − t к )  α 4λ  Wпер − Wн 


При сушке до конечной влажности Wк < Wпер продолжительность второго периода процесса рекомендуется определять по
формуле
(2.9)
Sρ б r ( Wпер − Wр )  1 S  Wпер − Wр
τ2 =
.
 +
 ln
200( t c − t к )  α 4λ 
Wк − Wр
При расчетах по приведенным формулам температура t к
может приниматься равной 100 0С. Коэффициент теплообмена
можно определить по выражению α = α1К1 , используя график,
представленный на рис. 2.6, а коэффициент теплопроводности λ
- с помощью диаграммы на рис. 2.7.
Квазивысокотемпературные процессы. Для случая сушки очень тонких материалов могут применяться уравнения (2.7)
- (2.9) со следующими уточнениями: температура кипения заменяется в уравнениях температурой смоченного термометра; переходная влажность принимается в среднем 40%.
Расчет процессов сушки, характеризуемых начальной
влажностью меньшей предела насыщения, производится по
уравнениям низкотемпературного процесса (2.3), (2.5), (2.6), по- 24 -
Коэффициент теплообмена α, Вт/(м2·К)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·К)
Рис. 2.6. График для определения коэффициента теплообмена α
скольку
основную
роль в переносе
здесь играет влагопроводность. Коэффициенты влагопроводности в температурном
диапазоне
0
100-130 С определяются по тем же
диаграммам
путем
интерполяции.
На
практике процессы
этой группы встречаются крайне редко.
Рис. 2.7. Диаграмма коэффициента теплопроводности
древесины березы поперек волокон λ ном
- 25 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание по работе
1. Определить продолжительность сушки сосновых образцов в неподвижном воздухе при температуре 90 0С и степени
насыщенности ϕ = 0,6% (температура и степень насыщенности
может быть задана преподавателем):
а) от начальной влажности 28% до конечной влажности
12%; размер образцов задается преподавателем;
б) от начальной влажности 75% до конечной влажности
12%; размер образцов задается преподавателем.
2. Построить кривые сушки для случаев 1а и 1б (шаг по
времени задается преподавателем). Сравнить полученные результаты.
3. Определить продолжительность сушки березовых образцов в движущемся воздухе со скоростью 2 м/с при температуре 150 0С от начальной влажности 75% до конечной влажности 12%; размер образцов задается преподавателем, Wp = 5,5% .
4. Построить кривые сушки для тех же образцов (шаг по
времени задается преподавателем).
Последовательность выполнения работы
Для выполнения задания 1а производим следующие действия:
1. Выбираем удовлетворяющее заданным условиям уравнение продолжительности сушки.
2. По представленным графикам определяем коэффициенты влагопроводности и влагообмена.
3. Вычисляем критерий Bi, причем за R принимаем половину толщины заготовки. При вычислениях необходимо следить, чтобы величины имели размерность одной системы.
4. Определяем параметр В по табл. 2.1.
- 26 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.1
Определение параметра В
Bi
B
1
0,99
2
0,96
4
0,93
8
0,89
12
0,87
20
0,85
30
0,84
50
0,83
∞
0,81
5. По рис. 2.4 определяем значение устойчивой влажности
в воздухе заданного состояния.
6. Вычисляем безразмерную влажность θ' .
7. Используя полученные данные, вычисляем продолжительность процесса сушки.
8. Для учета многомерности образца определяем по
рис. 2.5 поправочный коэффициент с τ , с учетом которого окончательно вычисляем продолжительность сушки.
Для выполнения задания 1б производим следующие операции:
1. Выбираем необходимое уравнение расчета продолжительности сушки.
2. Определяем коэффициент влагопроводности и значение
устойчивой влажности в воздухе заданного состояния.
3. Вычисляем безразмерную влажность θ' .
4. Используя полученные данные, вычисляем продолжительность процесса сушки.
5. Окончательно определяем продолжительность сушки с
учетом многомерности образца.
Для выполнения задания 2 производим следующие операции:
1. Производим необходимые преобразования зависимостей
(2.3), (2.4) и (2.6) в уравнения вида Wк = f (τ) .
2. Используя полученные зависимости, а также графические данные по коэффициентам влагопроводности и влагообмена, определяем текущую влажность образцов с шагом по време- 27 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ни, заданным преподавателем.
3. Полученные результаты оформляем в виде таблицы и
графиков кинетики сушки.
Для выполнения задания 3 производим следующие операции:
1. Для расчета длительности первого и второго периодов
сушки устанавливаем недостающие данные. Базисную плотность образца определяем по табл. 2.2. Переходная влажность
Wпер = 20% . Скрытая теплота испарения r = 2,25 ⋅ 10 6 Дж/кг.
Температуру кипения принимаем равной 100 0С. Коэффициент
теплообмена определяем по выражению α = α1K1 , используя
график (рис. 2.6), а коэффициент теплопроводности при влажности 20% - по графику, представленному на рис. 2.7 (по правой
граничной линии).
Таблица 2.2
Средняя базовая плотность древесины важнейших пород
Порода
Кедр
Базисная плотность 350
Ель, Сосна Ольха Береза
тополь
360
400
420
500
Лиственница
520
Бук
Ясень Дуб
530
540
560
ρ б , кг/м
2. Продолжительность сушки рассчитываем по выражению
τ = τ1 + τ 2 .
3. Окончательно определяем продолжительность сушки с
учетом многомерности образца.
3
Для выполнения задания 4 производим следующие операции:
1. Производим необходимые преобразования зависимостей
(2.8) и (2.9) в уравнение вида Wк = f (τ) . Используя полученные зависимости, а также графические данные по коэффициен- 28 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
там влагопроводности и влагообмена определяем текущую
влажность образцов с шагом по времени, заданным преподавателем. Переход к расчету второго периода (2.9) производится по
достижении текущей влажностью значения Wпер .
2. Полученные результаты оформляем в виде таблицы и
графиков кинетики сушки.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Определение продолжительности сушки сосновых образцов при температуре 90 0С и степени насыщенности ϕ =0,6%
для заданий «а» и «б».
3. Построение теоретических кривых сушки сосновых образцов для заданий «а» и «б»: наличие графиков и соответствующих к ним расчетов.
4. Определение продолжительности сушки березовых образцов при температуре 150 0С и степени насыщенности 0,6% от
начальной влажности 75% до конечной влажности 12%.
5. Построение теоретических кривых сушки березовых образцов.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют разновидности процессов конвективной сушки?
2. Какова специфика расчета продолжительности каждого
из процессов конвективной сушки?
3. Какие существуют случаи квазивысокотемпературных
процессов?
4. Что такое базовая плотность и как она зависит от породы древесины?
5. Что можно сказать о движущей силе процесса сушки,
- 29 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рассматривая систему уравнений (2.1) - (2.2)?
6. Каким образом в расчетах процесса сушки учитывается
многомерность? Для чего необходим такой учет?
7. От каких параметров и как зависит продолжительность
сушки?
Лабораторная работа 3
Расчет продолжительности сушки пиломатериалов
в камерах периодического и непрерывного действия
Цель работы: приобретение навыков прогнозирования и
расчета параметров процесса сушки табличным способом.
Теоретическая часть
При проведении камерной сушки пиломатериалов, особенно при определении производительности сушильных камер и
учете их работы важно уметь рассчитать продолжительность
процесса.
Для производственных расчетов продолжительность сушки пиломатериалов, высушиваемых стандартными режимами,
РТМ рекомендуют применять табличный метод.
Продолжительность низкотемпературного процесса
сушки в камерах периодического действия, включая влаготеплообработку, определяют по формуле
(3.1)
τ = τисх А р А ц А к А в А д ,
где τисх - исходная продолжительность собственно сушки пиломатериалов заданной породы, толщины S1 и ширины S2
(табл. 3.1); A p - коэффициент, учитывающий категорию режима
- 30 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сушки; А ц - коэффициент, учитывающий характер и интенсивность циркуляции воздуха в камере (табл. 3.2); А к - коэффициент, учитывающий категорию качества сушки; А в - коэффициент, учитывающий начальную Wн и конечную Wк влажность
древесины (табл. 3.3); А д - коэффициент, учитывающий длину
материала.
Таблица 3.1
Исходная продолжительность сушки τисх (ч) пиломатериалов
в камерах периодического действия при низкотемпературном
процессе
Толщина S1 ,
мм
До 16
19
22
25
32
40
50
60
70
75
100
До 16
19
40…50
23
29
34
50
66
71
29
36
60…70
Ширина S2 , мм
80…100 110…130
140…180 более 180
Сосна, ель, пихта, кедр
25
26
27
31
32
33
37
39
39
52
54
55
71
75
76
79
84
86
95
101
103
103
114
122
147
161
171
194
340
354
27
33
39
55
78
88
107
125
178
215
379
27
33
40
55
79
88
108
130
194
238
432
Осина, липа, тополь
31
33
34
38
39
40
34
40
34
40
- 31 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 3.1
Толщина S1 ,
мм
40…50
60…70
22
25
32
40
50
60
75
43
59
73
81
45
62
80
87
98
112
До 16
19
22
25
32
40
50
60
75
58
65
73
91
102
114
До 16
19
22
25
32
40
50
60
66
74
80
101
122
135
Ширина S2 , мм
80…100 110…130
47
64
84
93
109
128
253
140…180 более 180
53
66
88
96
116
140
282
Бук, клен, берест, ясень, ильм
59
61
63
68
71
73
77
80
81
94
96
99
109
115
118
126
140
152
170
199
225
250
296
339
591
657
68
77
84
103
129
160
220
315
Лиственница
68
69
79
81
86
89
104
106
136
142
180
196
258
291
385
440
- 32 -
54
67
89
99
119
152
311
54
68
91
102
123
164
344
63
73
82
101
120
159
239
367
728
63
74
83
102
122
167
255
396
805
70
81
90
107
146
205
310
476
70
82
90
107
149
215
329
513
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3.1
Толщина S1 ,
мм
40…50
60…70
70
75
Ширина S2 , мм
80…100 110…130
635
854
До 16
19
22
25
32
40
50
60
75
36
44
50
67
81
93
37
45
51
73
85
96
115
155
До 16
19
22
25
32
40
50
60
75
84
88
97
117
146
183
85
91
101
125
173
234
365
562
717
1019
Береза, ольха
37
38
47
47
53
54
78
81
88
91
100
101
130
141
187
213
377
420
Дуб, орех, граб
85
87
94
95
104
105
132
136
193
206
269
293
431
488
679
777
1086
1209
140…180 более 180
787
1049
864
1161
39
48
55
83
92
105
149
231
463
39
48
55
84
94
107
158
249
514
87
96
106
138
214
307
520
841
1340
88
97
107
140
221
321
551
905
1483
Примечание. Продолжительность сушки необрезных пиломатериалов
принимают по графе, характеризующей наибольшую ширину.
- 33 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.2
Значения коэффициента А ц для камер
с реверсивной циркуляцией
Произведение
τисх A p ,ч
0,2
Скорость циркуляции ωмат , м/с
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
20
3,14 1,80 1,00 0,78 0,63 0,54 0,49
40
2,40 1,65 1,00 0,81 0,67 0,59 0,54
60
2,03 1,58 1,00 0,84 0,71 0,64 0,60
80
1,76 1,42 1,00 0,85 0,76 0,72 0,68
100
1,56 1,32 1,00 0,88 0,81 0,79 0,78
140
1,31 1,15 1,00 0,92 0,91 0,90 0,89
180
1,15 1,10 1,00 0,96 0,95 0,94 0,93
220 и бо- 1,08 1,05 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96
лее
Примечание. При нереверсивной циркуляции табличный
фициент умножают на 1,1.
3,5
0,46
0,52
0,58
0,67
0,77
0,88
0,92
0,95
коэф-
Коэффициент A p имеет следующие значения: при сушке
пиломатериалов мягкими режимами – 1,7, нормальными – 1,
форсированными – 0,8. Коэффициент А ц находят в зависимости от произведения τисх A p и скорости циркуляции сушильного агента по материалу ωмат . В тех случаях, когда ωмат неизвестная для приближенных расчетов, ее принимают равной, м/с:
в камерах с естественной циркуляцией – 0,2; в камерах с циркуляцией слабой интенсивности (например, ЦНИИМОД-39) – 0,5;
с циркуляцией средней интенсивности (эжекционные Гипродревпрома) – 1; с циркуляцией повышенной интенсивности (ВК4, СПЛК) – 2; с мощной циркуляцией (СПВ-62М, УЛ-1, УЛ-2,
СПМ-2К, Урал-72) – 2,5.
- 34 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.3
Значения коэффициента Aв
120
110
100
90
80
70
65
60
55
50
45
40
35
30
28
26
24
22
20
Конечная влажность WK,%
22
20
18
16
14
12
11
10
9
8
7
1,07
1,00
0,94
0,87
0,80
0,72
0,67
0,62
0,57
0,51
0,44
0,37
0,29
0,19
0,15
0,10
0,06
-
1,12
1,06
1,00
0,93
0,86
0,78
0,74
0,68
0,63
0,57
0,50
0,43
0,35
0,25
0,21
0,16
0,11
0,06
-
1,18
1,12
1,06
1,00
0,93
0,84
0,80
0,75
0,69
0,63
0,57
0,49
0,43
0,32
0,27
0,23
0,18
0,13
0,07
1,25
1,20
1,14
1,07
1,00
0,92
0,87
0,82
0,77
0,71
0,64
0,57
0,49
0,39
0,35
0,31
0,27
0,22
0,14
1,33
1,28
1,22
1,16
1,09
1,00
0,96
0,91
0,85
0,79
0,73
0,65
0,57
0,48
0,43
0,38
0,33
0,28
0,22
1,43
1,37
1,31
1,25
1,18
1,10
1,05
1,00
0,94
0,89
0,82
0,75
0,66
0,57
0,53
0,48
0,43
0,38
0,32
1,49
1,43
1,37
1,30
1,23
1,15
1,10
1,05
1,00
0,94
0,87
0,80
0,72
0,62
0,58
0,54
0,49
0,43
0,37
1,55
1,49
1,43
1,36
1,29
1,21
1,16
1,11
1,06
1,00
0,93
0,86
0,78
0,68
0,64
0,59
0,54
0,49
0,43
1,61
1,55
1,50
1,43
1,35
1,27
1,23
1,18
1,12
1,06
1,00
0,93
0,84
0,75
0,71
0,65
0,61
0,56
0,49
1,68
1,62
1,57
1,51
1,43
1,35
1,30
1,25
1,20
1,14
1,07
1,00
0,92
0,82
0,78
0,73
0,68
0,63
0,57
1,76
1,71
1,65
1,58
1,51
1,43
1,38
1,33
1,28
1,22
1,15
1,08
1,00
0,90
0,86
0,82
0,77
0,71
0,65
6
1,86
1,81
1,75
1,68
1,61
1,52
1,48
1,43
1,38
1,32
1,25
1,18
1,10
1,00
0,96
0,91
0,86
0,81
0,75
- 35 -
Начальная влажность
WH , %
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент А к , учитывающий длительность влаготеплообработки и кондиционирования древесины в камере, имеет для различных категорий качества следующие значения: I – 1,20; II –
1,15; III – 1,05; 0 – 1.
Коэффициент А д для досок равен 1, а для заготовок зависит от отношения их длины к толщине L / S1 :
L / S1 ≥40
35
30
25
20
15
10
Ад
1,0
0,97
0,95
0,93
0,91
0,88
0,8
7
5
0,7
0,6
Продолжительность сушки в камерах непрерывного действия определяют в зависимости от типа камеры. Для камер с
позонной циркуляцией, в загруженном конце которых поддерживают состояние сушильного агента по первой ступени, а в
разгрузочном конце – по третьей ступени режимов сушки, продолжительность сушки можно определить по формуле (3.1). В
противоточных камерах непрерывного действия продолжительность сушки, включая начальный прогрев, рассчитывают по
формуле
(3.2)
τ = τисх А п А ц А в А к , ч,
где τисх - исходная продолжительность сушки сосновых пиломатериалов заданной толщины и ширины от начальной влажности 60% до конечной 12% в камерах с поперечной транспортировкой штабелей при объеме циркулирующего сушильного
агента, обеспечивающем минимальную себестоимость процесса
при сохранении целостности материала; А п , А ц , А в , А к - коэффициенты, учитывающие соответственно породу древесины,
интенсивность циркуляции, начальную и конечную влажности
пиломатериалов и требуемое качество сушки.
- 36 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание по работе
1. Определить продолжительность сушки сосновых образцов в неподвижном воздухе при температуре 900С и степени насыщенности ϕ = 0,6% (температура и степень насыщенности
может быть задана преподавателем):
а) от начальной влажности 28% до конечной влажности
12%; размер образцов задается преподавателем;
б) от начальной влажности 75% до конечной влажности
12%; размер образцов задается преподавателем.
2. Определить продолжительность сушки березовых образцов в движущемся воздухе со скоростью 2 м/с при температуре 1500С от начальной влажности 75% до конечной влажности
12%; размер образцов задается преподавателем (Wр = 5,5 %).
3. Сравнить полученные результаты с результатами расчетов, полученными в лабораторной работе № 2.
Примеры расчета
1. Определить продолжительность сушки сосновых обрезных досок с поперечным сечением 40х150 мм III категории качества от начальной влажности 80% до конечной 10% в камере
СПЛК-2 для форсированного режима сушки.
Находим по таблицам: τисх = 88 ч; A p = 0,80; A н =1,05;
А ц = 0,74; А в = 1,29; А д = 1,0. Перемножая найденные величины, получаем τ = 88х0,8х1,05х0,74х1,29= 71 ч.
2. Дубовые необрезные доски толщиной 25 мм высушивают по I категории качества от начальной влажности 90% до конечной 6% в камере УЛ-2. Режим сушки нормальный. Определить сроки сушки этого материала.
По таблицам находим: τисх = 140 ч; A p = 1,0; A к =1,2;
А ц = 0,9; А в = 1,68; А д = 1,0. Перемножаем полученные величины и находим τ = 140х1,0х1,2х0,9х1,68 = 254 ч.
- 37 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 4
Кинетика сушки древесины
Цель работы: построение кривой сушки; изучение характера процесса сушки древесных материалов, видов связи влаги с
древесиной; определение критических точек.
Приборы и материалы: шкаф сушильный, весы ВК-500,
термометр жидкостный, исследуемые образцы (рис. 4.1), микрометр или штангенциркуль, транспортир, калькулятор.
Теоретическая часть
Под кинетикой сушки понимают изменение среднего вла-
госодержания u (τ ) и средней температуры t тела с течением
времени. Эти закономерности кинетики процесса сушки позволяют рассчитать количество испаренной влаги и расход тепла на
Рис. 4.1. Исследуемые образцы (1, 3, 4, 6 – влагонепроницаемые поверхности; 2, 5 – влагопроницаемые поверхности)
сушку, а также получить некоторое представление о гигроскопических свойствах древесины.
Изменение локального влагосодержания u и локальной
- 38 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температуры t с течением времени τ зависит от механизма переноса влаги и тепла внутри влажного тела и массо- и теплообмена поверхности образца с окружающей средой. Механизм влагои теплопереноса внутри древесины сложный и определяется характером связи влаги с телом, поэтому кинетика процесса сушки
в значительной степени определяется физико-химическими
свойствами самой древесины. Однако кинетика сушки определяется, в первую очередь закономерностями взаимодействия тела с окружающей средой.
Для того чтобы описать действительный процесс массо- и
теплообмена тел с окружающей средой, необходимо знать основные закономерности протекания процесса сушки влажных
тел. Кроме того, для инженерных расчетов и разнообразных
приложений необходимо знать приближенные соотношения
между средним влагосодержанием и временем, а также формулы для расчета расхода тепла, то есть уравнения баланса.
Рассмотрим случай сушки влажной древесины нагретым
воздухом с постоянными параметрами, когда температура воздуха t c , его относительная влажность (степень насыщенности)
ϕ и скорость движения постоянны, а распределение влагосодержания в образце считаем близко к равномерному.
Особенности процесса сушки выявляются по характеру
изменения локальных влагосодержания и температуры с течением времени. Эти экспериментальные закономерности должны рассматриваться одновременно в их взаимосвязи. Если режим сушки мягкий (небольшая температура и скорость движения воздуха при достаточно большой его влажности), то процесс сушки протекает следующим образом. В начале процесса
уменьшение влагосодержания происходит медленно (графическая зависимость между влагосодержанием материала и временем сушки, называемая кривой сушки, имеет вид кривой, обращенной выпуклостью к оси влагосодержания). В этот небольшой промежуток времени температура материала увеличи- 39 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вается. Эта стадия сушки называется начальной или стадией
прогрева материала (рис. 4.2). Если начальная температура материала выше температуры мокрого термометра, то в начальный момент происходит охлаждение материала.
После начальной стадии влагосодержание материала
уменьшается с течением времени по линейному закону, а кривая сушки имеет вид прямой (участок 1-К). Следовательно,
скорость сушки на этом участке постоянна. Температура поверхности образца на этом участке не изменяется и равна температуре адиабатического насыщения воздуха (температуре
мокрого термометра). Температура в центре образца достигает
температуры мокрого термометра несколько позже.
Период постоянной скорости характеризуется неизменной
температурой материала. Он продолжается до некоторого влагосодержания Wk , начиная с которого температура поверхно-
Рис. 4.2. Изменение влагосодержания и температуры
на поверхности и в центре образца в процессе сушки
- 40 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сти материала повышается, а скорость сушки уменьшается.
Прямолинейный участок переходит в кривую, асимптотически
приближающуюся к равновесному влагосодержанию. Температура центра образца повышается несколько медленнее. В материале возникает температурный градиент, который постепенно
уменьшается и по достижении равновесного влагосодержания
становится нулевым. Этот период называют периодом падающей скорости. Влагосодержание, соответствующее переходу от
периода постоянной скорости к периоду падающей скорости
сушки, называется критическим (точка К). Необходимо отметить, что в период постоянной скорости из материала удаляется
влага свободного состояния, а в период падающей скорости –
связанная.
Влажная древесина является капиллярно-пористым коллоидным телом и принадлежит к классу связнодисперсных систем, в которых частицы дисперсной массы образуют более или
менее жесткие пространственные структуры-сетки, или каркасы. Эти системы называют гелями.
Все влажные материалы можно разделить на три вида:
1. Коллоидные тела (эластичные гели). При удалении
влаги эти тела значительно изменяют свои размеры, но сохраняют эластичные свойства.
2. Каппилярно-пористые тела (хрупкие гели). При удалении влаги эти тела почти не сжимаются, становятся хрупкими
и могут быть превращены в порошок.
3. Каппилярно-пористые коллоидные тела. Обладают
свойствами двух предыдущих видов. Стенки их капилляров эластичны и при поглощении жидкости набухают.
Древесина состоит из растительных клеток удлиненной
формы – волокон. Полости клеток со сравнительно крупными
(
)
поперечными размерами (10...100) ⋅10 −6 м , соединены между
собой порами и образуют в древесине капиллярную систему.
Древесное вещество является ограниченно набухающим. По- 41 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этому содержание в древесине связанной воды, то есть влагосодержание собственно клеточных стенок, не может превышать
некоторого максимума, который называется пределом насыщенности клеточных стенок WП.Н. Для большинства пород
древесины
WП.Н. = 30%. Это значение получено экспериментально и приемлемо для расчетов. Данная величина соответствует переходу от удаления свободной влаги к связанной в процессе сушки. Максимальное содержание свободной влаги, зависящее от объема полостей клеток и межклеточного пространства, колеблется от 60 до 250%.
Уменьшение размеров древесных материалов при снижении ее влажности называется усушкой, обратный этому процесс
– разбуханием. Данные явления имеют место главным образом
в области гигроскопической влажности. Изменение содержания
в древесине свободной воды не вызывает изменения ее размеров.
Влияние на усушку структурного направления определяется строением древесины. Наибольшая усушка наблюдается в
тангенциальном направлении, в радиальном она в 1,5–2 раза
меньше. Вдоль волокон усушка ничтожно мала и обычно не
принимается во внимание. Усушку, которую имеют образцы
при высыхании от WП.Н. до абсолютно сухого состояния, называют максимальной Ymax.
Величина текущей усушки определяется по выражению
(4.1)
YW = k y (Wп.н − W ) ,
где k y - коэффициент усушки. Коэффициент усушки зависит
от породы древесины и базисной плотности и рассчитывается
по формуле
Y
k y = max ;
(4.2)
Wп.н
Базисная плотность ρ Б характеризует массу сухого древесного вещества в единице объема сырой древесины(табл.4.1).
- 42 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.1
Средняя базисная плотность древесины важнейших пород
Порода
Порода
Порода
ρБ ,
ρБ ,
ρБ ,
3
3
кг/м
кг/м3
кг/м
Кедр
350 Ольха
420
Бук
530
Ель, тополь 360 Береза
500
Ясень
540
Сосна
400 Лиственница
520
Дуб
560
Для большинства пород полную объемную, линейные
тангенциальную и радиальную усушки можно определить по
соответствующим формулам:
(4.3)
Yоб. max = 0,028ρ Б ;
(4.4)
Ym. max = 0,018ρ Б ;
(4.5)
Yp. max = 0,01ρ Б .
Зная природу древесины, по приведенным формулам и данным табл. 4.1 легко рассчитать величину усушки. Обычно влага
в материале в процессе сушки распределена неравномерно,
процесс усложняется внутренними напряжениями. В этих случаях изменение размеров может начаться при средней его
влажности выше 30%, величина этого изменения может отличаться от величины чисто усушки. Такое изменение размеров
называют усадкой.
Под скоростью сушки понимают изменение влагосодержания в единицу времени dW / dτ. Она численно равна тангенсу угла наклона касательной к кривой сушки: W=f (τ). Методом
графического дифференцирования кривой сушки получают значение скорости сушки dW / dτ для разных значений влагосодержания, затем строится график dW / dτ = f(W), который называют кривой скорости сушки. Материалы, различные по характеру связи влаги, дают разную форму кривой скорости сушки (рис. 4.3, 4.4).
В начале процесса сушки (стадия прогрева материала)
- 43 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скорость сушки быстро увеличивается, достигая постоянного
значения N=const (период постоянной скорости). Начиная с
критической точки скорость сушки уменьшается по различным
законам и при достижении равновесного влагосодержания становится равной нулю (период падающей скорости). На кривых
скорости сушки первое критическое влагосодержание и равновесное влагосодержание определяются более точно.
Первая критическая точка определяется как точка пересечения прямой, параллельной оси абсцисс, с продолжением кривой скорости сушки. Равновесное влагосодержание определяется по величине отрезка, отсекаемого продолжением кривой скорости сушки от оси абсцисс.
Все материалы можно отнести к следующим шести типам
кривых скорости сушки в периоде падающей скорости
(рис. 4.3, 4.4). Простейший случай – кривая имеет вид прямой
(кривая типа 1). Такие кривые характерны для тонких волокнистых материалов: бумага, картон, ДВП. Кривая типа 2 обращена
выпуклостью к оси ординат. Она наблюдается при сушке тканей, кожи, макаронного теста (коллоидные материалы). Кривые
Рис. 4.3. Типичные кривые скорости сушки
- 44 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
типа 3 наблюдаются при сушке пористых керамических материалов.
Более сложные по внутренней структуре материалы (глина, ломти хлеба и др.) дают более сложные по форме кривые
скорости сушки (рис. 4.4). Кривая может вначале иметь вид
прямой, а затем переходить в кривую, обращенную к оси абсцисс (тип 4). Такие кривые характерны для капиллярнопористых материалов. Иногда вначале кривая обращена выпуклостью к оси абсцисс, а затем переходит в кривую, обращенную
выпуклостью к оси ординат (кривая типа 5). И, наконец, самый
редкий тип кривых – кривая типа 6.
На приведенных кривых имеется вторая критическая точка
в виде точки перегиба, или точки перехода прямой в кривую.
Влагосодержание, соответствующее второй критической точке,
называется вторым критическим влагосодержанием.
Первая критическая точка на кривой скорости сушки коллоидных тел может проявиться в тот момент, когда влагосодержание на поверхности материала становится равным гигроскопическому влагосодержанию. Эта точка (кривая типа 2) свойст-
Рис. 4.4. Сложные кривые скорости сушки
- 45 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
венна материалам с большим содержанием осмотической влаги,
например желатину, однако у многих коллоидных материалов
вообще отсутствует период постоянной скорости.
Механизм сушки капиллярных материалов определяется
режимом сушки и капиллярной структурой. Кривые скорости
сушки таких тел имеют две ярко выраженные критические точки (кривые типа 4). Наличие двух точек объясняется особым состоянием капиллярной влаги. По мере сушки подвод влаги к поверхности замедляется, в какой-то момент влагосодержание поверхностного слоя начинает падать. Капиллярное давление резко повышается, и скорость сушки начинает убывать. Этот момент отмечается первой критической точкой. Начиная с этого
момента подвод влаги к поверхности резко падает, а температура увеличивается. Когда влагосодержание поверхности капиллярно-пористого тела достигает значения, соответствующего
второй критической точке, капиллярное давление становится
бесконечно большим, перемещение воды в поверхностном слое
прекращается, и зона испарения начинает углубляться внутрь.
При сушке коллоидных капиллярно-пористых тел первая
критическая точка соответствует моменту, когда поверхность
образца достигает гигроскопического влагосодержания (аналогично коллоидным телам). Вторая критическая точка появляется
в момент замедления подвода влаги к поверхности (аналогично
капиллярно-пористым телам).
Кривые скорости сушки дают качественную картину протекания процесса, при этом необходимым условием является
наличие малого градиента влагосодержания внутри тела. Форма
этих кривых объясняется характером связи влаги с материалом.
Порядок выполнения работы
1. Включить сушильный шкаф и довести температуру до
150 0С.
- 46 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Предварительно увлажненные образцы поместить в сушильный шкаф.
3. Производить контрольное взвешивание образцов с периодом - 5 мин (первые 30 мин), затем 10 мин (вторые 30 мин),
затем 15 мин (последние 30 мин).
4. Вычислить текущее среднеинтегральное влагосодержание образцов. Опытные и расчетные данные занести в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Опытные и расчетные данные процесса сушки
Временной интервал, мин
…
τ1
τ2
τ
n
m
Текущая масса образца, кг
1
Текущее
кг/кг
влагосодержание,
m
2
u1
m
…
n
u2
u
n
5. Построить кривые сушки образца.
6. Обозначить характерные точки.
7. Отключить электрооборудование.
Контрольные вопросы
1. Что называют кинетикой сушки?
2. Чем определяется кинетика процесса сушки?
3. Как называется графическая зависимость между влагосодержанием материала и временем сушки?
4. Объясните характерные участки кривой.
5. Какие существуют периоды сушки? Чем они характеризуются? Влага какого состояния удаляется в эти периоды?
6. Как изменяется температура материала в ходе конвективной сушки?
- 47 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Что называют гелем?
8. Что такое усушка, усадка и разбухание?
9. В пределах каких значений влагосодержания наблюдается усушка?
10. Что такое базисная плотность?
11. Каковы причины усадки?
12. Как из графика определить равновесную влажность?
13. К какому типу можно отнести кривую скорости сушки
древесины? Каковы отличия и в чем их причины?
Лабораторная работа 5
Пропитка древесины под действием избыточного
давления
Цель работы: углубление и закрепление теоретических
знаний по разделу «Консервирование древесины»; освоение на
конкретном примере модели промышленных пропиточных установок, методики постановки физического эксперимента; ознакомление с методикой и получение практических навыков подготовки образцов и отбора проб; освоение одного из возможных
вариантов оценки качества полученной продукции; освоение
процессов пропитки и выбор оптимального варианта.
Основные положения
Под пропиткой понимают процессы введения в древесину
веществ, которые изменяют ее свойства. Процессы пропитки
можно рассматривать как совокупность следующих физических
явлений:
- движение жидкости в древесине под действием капиллярного давления;
- 48 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- движение жидкости под действием избыточного давления;
- диффузионное перемещение молекул или ионов пропитывающих веществ в древесине по полостям клеток, заполненным водой.
Производственные процессы пропитки протекают обычно
в условиях совместного действия всех указанных явлений, но
относительная эффективность того или иного из них может быть
различной при разных способах пропитки.
Проницаемость как хвойных, так и лиственных пород определяется их капиллярной структурой и существенно больше
вдоль волокон, чем поперек, а проницаемость ядра древесины
меньше проницаемости заболони. По сравнительной проницаемости жидкостями древесина различных пород может быть условно разделена на три группы: легкопропитываемая, умеренно
пропитываемая и труднопропитываемая. К первой группе относится древесина рассеянно-сосудистых пород (березы, бука), а
также заболони сосны; к труднопропитываемой – древесина ели,
лиственницы, пихты, ядровая древесина сосны, дуба и ясеня.
Древесина других пород занимает промежуточное положение и
относится к умеренно пропитываемой.
Пропитываемость может быть оценена по коэффициенту
проводимости К, кг/(м ⋅ с ⋅Па), который характеризует массу
жидкости, проходящей в единицу времени через древесный образец площадью 1 м при градиенте давления 1 Па. Он зависит от
породы и местоположения древесины в стволе, температурновлажностного состояния, направления потока жидкости относительно волокон и свойств пропитывающей жидкости. Численные значения этого коэффициента устанавливаются экспериментально.
Так, для заболонной древесины сосны (поперек волокон)
для водных растворов солей коэффициент проводимости
(5.1)
К = (3,6 + 0,015W + 0,71C − 3,36P ) ⋅ 10 −9 ,
ж
- 49 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где W - влажность древесины, %; С – концентрация раствора,
%; Р ж - давление жидкости, мПа.
Другим показателем является удельная массоемкость, характеризующая древесину как объект пропитки. Численно она
равна изменению массы пропитывающей жидкости к единице
объема древесины при изменении давления на единицу и измеряется в кг/(м3 ⋅Па). Удельная массоемкость зависит от тех же
факторов, что и К и может быть определена по эмпирической
формуле
(5.2)
m = (0,219 − 0,017 W + 0,001t − 0,292P ) ⋅ 10 −2 ,
ж
где t - температура пропитывающей жидкости, 0С. Формулы
справедливы в диапазоне влажности 8-50%, при температуре
раствора до 60 0С, его концентрации до 15% и давлении 0,1-0,5
мПа.
Для неограниченной пластины время пропитки может
быть определено из выражения
m Pz
τ = 0,75H 2
,
(5.3)
KP ж
где Н - толщина пластины, м; z - критерий пропитки; P - среднее
давление в пропитанной зоне. P приближенно может быть определено как
P + Pв + Р к
P= ж
,
(5.4)
2
где Р к = 0,03 мПа - капиллярное противодавление для заболонной части сосны; Р в - давление защемленного внутри древесины воздуха, мПа. Для неограниченной пластины
P Н
Рв = 0
.
(5.5)
Н − 2h
- 50 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для цилиндра радиусом R
P0 R
,
(5.6)
R −h
где h - толщина пропитанной зоны, м.
Критерий глубины пропитки – безразмерная величина (определяется по номограмме рис. П-2 - см. приложение), зависящая от толщины пластины и относительного начального давления ψ :
P + Рк
ψ= в
.
(5.7)
Рж
Максимально возможная глубина пропитки h m может быть
рассчитана исходя из того, что при h m перепад давлений внутри древесины равен нулю:
P0
H
)⋅ .
h m = (1 −
(5.8)
Р ж − Pк 2
Уравнение (5.8) непосредственно применяется для прямоугольных сортиметров, если отношение их ширины к толщине В/Н >
8. При В/Н < 8 уравнением можно пользоваться, подставляя в
него вместо фактической толщины H расчетную толщину:
НВ
Нр =
.
(5.9)
Н+В
Качество пропитки характеризуется величиной поглощения антисептика, выраженной в кг соли/м3 древесины, и глубиной его проникновения в мм. В работе определяют величины
общего ( П 0 ) и чистого ( П ч ) поглощения. Величину общего поглощения рассчитывают по выражению:
mpC
(5.10)
П0 =
,
100 ⋅ V
где m p - масса раствора, вводимого в древесину , кг; С - конРв =
центрация раствора антисептика, %; V - объем образца, м3. При
- 51 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определении величины чистого поглощения массу соли, поглощаемую древесиной, относят к объему пропитанной части образца:
mpC
Пч =
.
(5.11)
100 ⋅ Vпр
Массу раствора, введенного в древесину, рассчитывают
следующим образом:
mp = mн − mк .
(5.12)
где m н , m к - усредненная масса образца до и после пропитки
m н и m к определяют с помощью выражений:
n
∑ m нi
mн =
n
;
(5.13)
n
∑ m кi
mк =
,
(5.14)
n
где m нi и m кi - масса i-го образца до и после пропитки, кг.
Для установления границы пропитанной зоны из образца
примерно посередине его длины выпиливают три секции толщиной 6-10 мм. Границу окрашенной зоны очерчивают пастой
или копировальным карандашом. Минимальную глубину пропитки h i замеряют линейкой (с точностью до 0,5 мм) по месту
наименьшей ширины пропитанной зоны перпендикулярно поверхности образца (для каждой секции) и находят среднюю минимальную глубину пропитки для образца:
3
∑ hi
h min =
3
- 52 -
.
(5.15)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Объем пропитанной зоны определяют как
Vпр = Fпр ⋅ L ,
(5.16)
где Fпр - площадь пропитанной зоны, м; L - длина образца, м.
Площадь пропитанной зоны определяют следующим образом. Контур поперечного сечения и границу пропитанной зоны
каждой секции переносят на кальку. Затем на аналитических весах с точностью до четвертого знака определяют массу кальки,
соответствующую поперечному сечению образца M i и сечению пропитанной зоны q i , и находят их средние значения:
3
∑ Mi
M0 =
3
,
(5.17)
3
∑ qi
q пр =
(5.18)
.
3
Площадь пропитанной зоны определяют по выражению
Fq
Fпр = 0 п ,
(5.19)
М0
где F0 - площадь поперечного сечения образца, м2; M 0 - масса
кальки, соответствующая поперечному сечению образца, г; q п масса кальки, соответствующая площади пропитанной зоны, г.
Равномерность пропитки У определяют по выражению
Р ⋅ h min
, %,
У=
(5.20)
Fпр
где Р - периметр образца по поперечному сечению, м; h min минимальная глубина пропитки, м.
При наличии в поперечном сечении образца двух зон –
легкопроницаемой и труднопроницаемой – равномерность пропитки определяют раздельно для каждой из зон:
- 53 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р ⋅h
У л = л min ;
Fпл
(5.21)
Р ⋅h
У т = т min ,
(5.22)
Fпт
где индексы л и т характеризуют параметры и показатели, относящиеся к легко- и труднопроницаемым зонам.
Качество
пропитки
применительно
к
столярностроительным деталям считают удовлетворительным при следующих условиях:
- величина поглощения при применении химпрепаратов
должна быть не менее 4-5 (кг соли/ м3 древесины);
- глубина пропитки для древесины березы, бука, заболони
сосны и кедра должна быть не менее 5 мм, а для древесины ели,
пихты, ядра сосны и кедра – не менее 1,5-2 мм.
Пропитка древесины способом
«прогрев-холодная ванна»
Для способа «прогрев-холодная ванна» (ГОСТ 20022.6-76)
характерна простота технологических операций: подлежащий
пропитке материал первоначально нагревают (горячей жидкостью или насыщенным паром), а затем помещают в холодный
пропиточный раствор, где и происходит пропитка.
При нагревании древесины с ростом ее температуры повышается парциальное давление в полостях клеток, в результате
чего водяной пар вытесняет находящийся там воздух. После погружения нагретой древесины в холодный раствор давление в
полостях клеток резко снижается за счет конденсации водяных
паров (что связано с существенным уменьшением давления насыщения) и отчасти за счет температурного эффекта. Движение
пропиточной жидкости происходит под действием возникшего
- 54 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перепада давления – между давлением внутри древесины и атмосферным. При пропитке способом «прогрев-холодная ванна»
определяют температуру раствора в горячей и холодной ваннах
и продолжительность выдержки материала в них.
При пропитке лесоматериалов и изделий из древесины водорастворимыми антисептиками температура раствора в ваннах
и продолжительность выдержки материала устанавливаются в
зависимости от сечения и породы образцов. Рассмотрим рекомендуемый ГОСТ 20022.6-76 режим пропитки брусковых деталей столярно-строительных изделий.
Таблица 5.1
Режимы пропитки образцов
Толщина
ПрименяеГорячая ванна
Холодная ванна
материала, мый анти- ТемпеПроТемпеПромм
септик
ратура, должи- ратура, должи0
0
С
тельС
тельность,
ность,
мин
мин
20-30
ФН, ББК
90-95
30-40
20-40
20-30
50-60
-«90-95
120
20-40
90
Примечание. Окончательный режим пропитки устанавливается преподавателем.
Установка для пропитки древесины способом «прогревхолодная ванна» (рис. 5.1) состоит из двух ванн 1 и 2, в которых
находятся горячий и холодный растворы пропиточной жидкости. Ванны снабжены крышками 3 и 4. Образцы 5 помещают в
контейнер 6, который обеспечивает их полное погружение. Нагревание раствора в горячей ванне осуществляется ТЭНами 7.
Температура растворов в ваннах контролируется термометрами
8 и 9, а ее регулирование в горячей ванне производится регулятором температуры 10 и контактным термометром 11.
Оборудование, приборы, инструменты, материалы: пропи- 55 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.1. Схема экспериментальной установки:
а – горячая ванна; б – холодная ванна;
1, 2 – ванна; 3, 4 – крышки; 5 – образцы; 6 – контейнер; 7 –
ТЭН; 8,9 – термометры контрольные; 10 – регулятор температуры; 11 – термометр контактный
точные установки; бруски из древесины (не менее 3 пород),
имеющие влажность от 8 до 30%; пила; штангенциркуль (линейка); электровлагомер; весы лабораторные квадрантные 4-го
класса точности, модели ВЛК-500 гМ; весы аналитические; растворы антисептика; калька.
Порядок проведения работы
1. Из простроганных сухих брусков древесины (не менее
трех пород) выпилить образцы длиной 300-350 мм, их торцы
гидроизолировать густой масляной краской или водостойкой
шпатлевкой.
2. Перед началом опыта образцы промаркировать, определить электровлагомером их влажность и установить их началь- 56 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ную массу путем взвешивания на квадрантных весах с точностью ± 1 г.
3. Осуществить пропитку образцов по режимам, рекомендованным в табл. 5.1.
4. После окончания пропитки образцы повторно взвесить
для определения m к .
5. Опытные данные обработать с помощью формул 5.1 –
5.11.
6. Результаты опытов занести в табл. 5.2 и 5.3.
Таблица 5.2
Характеристика образцов
Марка
ПоWi Wср Размеры, м
Vi Vср m нi mкi mн mк
образца
рода
%
%
L
B
м3
H
кг
м3
кг
кг
кг
1
2
3
Таблица 5.3
Определение качества пропитки
Марка
образца
Порода
V,
м3
mp
кг
П0
кг/м3
Fпр
Vпр
2
3
м
м
h min
Пч
м
кг/м
3
У,
%
1
2
3
7. Написать заключение и выводы.
Пропитка древесины автоклавным способом
В этом случае пропитку проводят в герметичных сосудах –
пропиточных автоклавах. Требуемый перепад давления создают
с помощью жидкостных и вакуумных насосов или сжатым воздухом.
Процессом пропитки для получения требуемых результа- 57 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тов (поглощения и глубины пропитки) можно управлять, изменяя уровень давления и температуру жидкости, а также последовательность и длительность технологических операций (табл.
5.4 – табл. 5.7). Автоклавную пропитку ведут по различным технологическим схемам (или различными способами).
Способ «вакуум-давление-вакуум» (ВДВ). После загрузки
автоклава древесиной в нем создают вакуум, который поддерживается в течение определенного времени. Затем автоклав заполняют пропиточной жидкостью и поднимают жидкостное
давление. После выдержки древесины под давлением жидкостное давление снижают до атмосферного, сливают из автоклава
жидкость и создают вакуум.
Пропитка происходит в период выдержки древесины под
давлением. При начальном вакууме из полостей клеток древесины удаляют воздух, что способствует увеличению поглощения и
повышению глубины пропитки. При повторном вакууме происходит подсушка поверхностных слоев обработанных материалов. Кроме того, за счет некоторого избыточного давления воздуха внутри древесины (по отношению к давлению в вакууме)
из нее удаляется небольшое количество пропиточного раствора.
Способ применяется в тех случаях, когда в древесину требуется
ввести большее количество пропиточной жидкости.
Способ «давление-вакуум» (ДВ) отличается от способа
ВДВ отсутствием операции начального вакуумирования. Так
как количество сжатого воздуха в древесине в конце пропитки
будет больше, чем при способе ВДВ, то и количество вытесненной жидкости (из полости клеток) также увеличивается. Этот
способ приемлем в тех случаях, когда требуется меньшее поглощение антисептика по сравнению со способом ВДВ.
Рассмотренные способы обеспечивают сквозную пропитку
легкопроницаемой древесины при ее влажности ниже предела
насыщения. Труднопроницаемая древесины пропитывается на
глубину не более 3-5 мм.
- 58 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способ
«вакуум-давление-вакуум-давление-вакуум»
(ВДВ-ДВ). Увеличить глубину проникновения жидкости в сортименты из труднопроницаемой древесины можно способом
многоцикличной пропитки, представляющим собой 2-3-кратное
повторение циклов ВДВ и ДВ. Особенностью способа ВДВ-ДВ
является применение на начальной и промежуточной стадиях
процесса «мокрого» вакуума, то есть вакуума, создаваемого в
автоклаве, заполненном пропиточной жидкостью.
Обязательным условием при проведении процесса является поддержание температуры раствора на уровне точки его кипения в вакууме. Рассмотренный способ обеспечивает двукратное увеличение глубины пропитки (в труднопроницаемой зоне)
по сравнению со способом ВДВ.
Способ «вакуум-атмосферное давление-вакуум» (ВАДВ).
По этому способу древесину загружают в автоклав и выдерживают под вакуумом. Затем автоклав заполняют жидкостью, вакуум снимают и давление поднимают до атмосферного. В этот
период происходит собственно пропитка под действием разности между атмосферным давлением и давлением внутри древесины. После выдержки жидкость удаляют из автоклава и вновь
создают вакуум для подсушки поверхности обрабатываемых материалов. Способ применяется в тех случаях, когда в древесину
требуется ввести ограниченное количество пропиточной жидкости на небольшую глубину (по труднопроницаемой зоне на 1-2
мм). Режимы пропитки в автоклавах регламентируют продолжительность основных операций, величины давлений и температуры жидкости.
- 59 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.4
Режим пропитки способом ВДВ
Операция
Первая выдержка в
вакууме
Выдержка под давлением
Вторая выдержка в
вакууме
Температура
раствора, 0С
-
Давление,
мПа
0,015-0,02
Продолжительность, ч
0,25
20
0,8
1,0
-
0,015-0,02
0,25
Таблица 5.5
Режим пропитки способом ДВ
Операция
Выдержка под давлением
Выдержка в вакууме
Температура
раствора, 0С
20
Давление,
мПа
0,8
Продолжительность, ч
1,0
-
0,015-0,02
0,25
Таблица 5.6
Режим пропитки способом ВДВ-ДВ
Операция
Первая выдержка в
«мокром» вакууме
Выдержка под давлением
Вторая выдержка в
«мокром» вакууме
Конечная выдержка
в вакууме
Температура
раствора, 0С
50-55
Давление,
мПа
0,015-0,02
Продолжительность, ч
0,25
20
0,8
1,0
50-55
0,015-0,02
0,25
-
0,015-0,02
0,25
- 60 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.7
Режим пропитки способом ВАДВ
Операция
Первая выдержка в
«мокром» вакууме
Выдержка при атмосферном давлении
Вторая выдержка в
вакууме
Температура
раствора, 0С
Давление,
мПа
0,015-0,02
Продолжительность, ч
0,15
50-55
0,1
0,3
-
0,015-0,02
0,15
Примечание. Продолжительность выдержки под вакуумом
устанавливается с момента достижения вакуума, заданного режима.
Рассмотрим режимы автоклавной пропитки брусковых деталей толщиной до 55 мм по рассмотренными выше технологическим схемам для антисептиков ФИ, ХМ11 и ББК.
Установка для автоклавной пропитки древесины (рис. 5.2)
состоит из проточного автоклава 1 с крышкой 2, вакуум-насоса
4, бака для хранения раствора 6, баллона с сжатым газом 10,
снабженного редуктором 11. Баллон с сжатым газом 10 и редуктор 11 связаны между собой системой трубопроводов.
Управление работой установки осуществляется с помощью
вентилей 5,9, 12, 13, 17, 18. Контроль давления в автоклаве производится манометром 15, глубина вакуума – вакуумметром 16.
Температура раствора в автоклаве контролируется термометром
8, установленным в баке хранения раствора. Нагрев раствора
осуществляется ТЭНом 7 и поддерживается на заданном уровне
регулятором температуры и контактным термометром 18. Герметизация автоклава производится с помощью уплотнений 3
клиновой рукояткой 14.
- 61 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки
1 – автоклав; 2 – крышка; 3 – уплотнение; 4 – вакуум-насос;
5, 9, 12, 13, 17, 18 – вентили; 6 – бак хранения раствора; 10 –
баллон со сжатым газом; 11 – редуктор; 14 – рукоятка; 15
– манометр; 16 – вакуумметр; 19 – термометр контактный
Порядок проведения работы
Пропитку способом ВДВ проводят следующим образом:
1) Образцы древесины, подлежащие пропитке, поместить в
автоклав, который затем загерметизировать;
2) Открыть вентили 5 и 17 (остальные вентили закрыты) и
включить вакуумный насос.
3) После окончания выдержки в вакууме открыть вентиль
9 и, не выключая вакуумного насоса, заполнить автоклав пропи- 62 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
точной жидкостью, объем которой определить по мерной линейке в баке 6.
4) После заполнения автоклава закрыть вентили 5 и 17, открыть вентили 12 и 13 и поднять давление до уровня, заданного
режимом обработки. Продолжительность выдержки устанавливают с момента открытия вентиля 12.
5) Для создания повторного вакуума закрыть вентили 12 и
13, открыть вентили 5 и 17 и включить вакуумный насос. После
окончания выдержки в вакууме насос выключить и открыть вентиль 18. Когда давление в автоклаве станет равным атмосферному (устанавливают по показанию вакуумметра), открыть вентиль 9 для слива пропиточной жидкости из автоклава, затем открыть крышку и выгрузить древесину.
Пропитка способом ДВ осуществляется в следующем порядке:
1) Автоклав загрузить древесиной и загерметизировать. Затем открыть вентили 5 и 9, включить вакуум-насос и заполнить
автоклав. После его заполнения вентили 5 и 9 закрыть, выключить вакуумный насос, открыть вентили 12 и 13 и поднять давление до заданного режимом пропитки.
2) Для создания повторного вакуума закрыть вентили 12 и
13, открыть вентили 5 и 17 и включить вакуумный насос. После
окончания выдержки в вакууме насос выключить и открыть вентиль 18. Когда давление в автоклаве станет равным атмосферному (устанавливают по показанию вакуумметра), открыть вентиль 9 для слива пропиточной жидкости из автоклава, затем открыть крышку и выгрузить древесину.
Пропитку способом ВДВ-ДВ проводят в следующей последовательности:
1) Заполнить автоклав пропиточной жидкостью так же, как
и при способе ДВ.
- 63 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2) В автоклаве над поверхностью жидкости создать вакуум, глубина которого определяется режимом пропитки.
3) После выдержки древесины в «мокром» вакууме выключить вакуумный насос, закрыть вентили 5 и 17 и открыть
вентили 12 и 13 на магистрали сжатого воздуха. Давление в автоклаве повысить до уровня, определенного режимом пропитки.
4) Окончив выдержку под давлением, закрыть вентили 12
и 13, открыть вентили 5 и 17 и включить вакуумный насос. После окончания выдержки в вакууме насос выключить и открыть
вентиль 18. Когда давление в автоклаве станет равным атмосферному, открыть вентиль 9 для сливая пропиточной жидкости
из автоклава.
5) Вновь повысить давление и выдерживать древесину под
давлением по правилам, изложенным в предыдущем пункте.
6) Процесс пропитки закончить выдержкой древесины в
вакууме без жидкости в автоклаве – «сухом» вакууме.
Пропитку способом ВАДВ проводят в следующей последовательности:
1) Раствор заданной концентрации нагреть до температуры, определяемой режимом.
2) Образцы заложить в автоклав и его загерметизировать.
3) Открыть вентили 5 и 17, включить вакуум-насос и провести начальное вакуумирование.
4) После вакуумирования открыть вентиль 9 и заполнить
автоклав пропиточным раствором из бака. Заполнив автоклав,
вакуум-насос отключить, перекрыть вентили 5 и 17 и открыть
вентиль 18. Давление в автоклаве при этом повышается до атмосферного.
5) После окончания выдержки образцов в растворе открыть вентиль 9 и пропиточный раствор слить обратно в приемный бак.
6) Для повторного вакуумирования открыть вентили 5 и 17
- 64 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и включить вакуум-насос. Остальные вентили должны быть закрыты.
7) Закончив повторное вакуумирование, выключить вакуум-насос и открыть вентиль 18. На этом пропитка заканчивается, и образцы необходимо выгрузить из автоклава.
Обработка экспериментальных данных
Режим пропитки древесины (при выбранном способе) заносится в табл. 5.8.
Таблица 5.8
Способ пропитки,
технологические
операции
Продолжительность, ч
Величина
давления,
мПа
Температура раствора,
0
С
Для анализа полученных экспериментальных данных при
заданных режимом пропитки температурах и давлениях рассчитывается по формулам (5.1) – (5.3), коэффициент проводимости
К, удельная массоемкость m p , время пропитки τ и сопоставляются с опытными данными.
Написать заключение.
Контрольные вопросы
1. Какова основная причина создания перепада давления
при способе «прогрев-холодная ванна»?
2. Каким образом можно увеличить перепад давления при
пропитке древесины способом «прогрев-холодная ванна»?
3. Какова оптимальная влажность при пропитке древесины
способом «прогрев-холодная ванна», автоклавными способами?
- 65 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. С какой целью проводится начальное вакуумирование?
6. Каковы показатели качества пропитки древесины?
7. Что такое общее поглощение антисептика?
Вопросы и задачи для самоконтроля
Агенты гидротермической обработки древесины
1. При каком давлении пар будет насыщенным, если его
температура t = 45 0С?
2. Каковы температура и плотность насыщенного пара при
давлении Р н = 70000 н/м2?
3. Относительная упругость пара ϕ =70%. Какова должна
быть температура пара, если он находится под давлением в
3,5бара?
4. Водяной пар при давлении 7000 Н/м2 имеет температуру
0
60 С. Установить характеристику пара и его остальные параметры ( Р н ; ϕ; ρ ).
5. Определить относительную влажность воздуха при температуре t=20 0С, если в каждом кубометре воздуха содержится
10 г водяного пара.
6. В герметичной сушильной камере содержится насыщенный влагой воздух при температуре 30 0С. Какова будет относительная влажность воздуха в камере ϕ , если повысить температуру до 80 0С (при постоянном давлении)?
Примечание. Для решения пользоваться графиком
Р н = f (t ) .
7. Известны температура t=75 0С и относительная влажность воздуха ϕ =64%. Определить, пользуясь формулами, его
влагосодержание d и теплосодержание J.
8. В камере содержится 150 кг (по сухой его части) воздуха
- 66 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с температурой 25 0С и относительной влажностью 50%. Насколько изменится содержание влаги в камере, если весь воздух
заменить воздухом с температурой 80 0С и относительной влажностью воздуха 60%?
Примечание. Задачу решить аналитически.
9. Известны парциальное давление пара Р п =19400 Н/м2 и
относительная влажность воздуха ϕ =0,8. Определить основные
параметры этого воздуха и того же воздуха, нагретого о сухую
поверхность до температуры t=90 0С.
10. 100 кг воздуха (по его сухой части) с температурой
80 0С и относительной влажностью 80% охлаждается в конденсаторе до температуры 30 0С. Определить, сколько при этом получится конденсата.
Пояснение. По заданным параметрам воздуха t1 =80 0С и
ϕ1 =0,8 можно, пользуясь известными формулами и графиком
зависимости Р н = f ( t ) , определить его влагосодержание d1 . В
конденсаторе воздух, охлаждаясь, достигнет состояния насыщения. При дальнейшем его охлаждении часть влаги сконденсируется и выпадет в осадок. По температуре t 2 =30 0С насыщенного воздуха с помощью графика Р н = f ( t ) можно определить
Pн 2 и, следовательно, величину d 2 . Разность d1 − d 2 - это масса влаги, выпавшей в осадок в расчете на 1 кг сухого воздуха.
11. Известны влагосодержание d=260 г/кг и теплосодержание J=800 кДж/кг воздуха, который, испаряя влагу, охлаждается
до температуры 70 0С. Как изменится при этом его влагосодержание и относительная влажность?
12. Сколько воды могут испарить 500 кг воздуха с температурой 80 0С и относительной влажностью 50% ( t м =65 0С)?
- 67 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гигроскопические свойства древесины
13. Древесина с начальной влажностью 40% выдерживается длительное время в комнатных условиях ( t c =22 0С, ϕ =0,5).
Определить ее устойчивую влажность.
14. Древесина, прошедшая атмосферную сушку, имеет
влажность 12%. Определить устойчивую влажность этой древесины в воздухе с параметрами t c =30 0С, ϕ =0,8.
15. Древесина, подвергавшаяся камерной сушке, имеет
влажность 7%. Определить ее устойчивую влажность в воздухе
с параметрами t c =25 0С и ϕ =65%.
16. Измельченная древесина, имеющая после сушки влажность 6%, помещена в воздух с параметрами t c =40 0С и
ϕ =55%. Определить ее устойчивую влажность.
17. До какой минимальной влажности может высохнуть
древесина в чистом перегретом паре при атмосферном давлении
и t =120 0С?
18. Какова должна быть температура перегретого пара,
чтобы при атмосферном давлении заготовки могли высохнуть
до влажности 6%?
19. Заготовки после атмосферной сушки, имеющие влажность 15%, хранятся в помещении при t=20 0С. В каких пределах
следует поддерживать относительную влажность воздуха в этом
помещении, чтобы влажность заготовок не изменялась?
20. Относительная влажность воздуха в сушильной камере
ϕ =50%. Какую следует поддерживать температуру в этой камере, чтобы сырая древесина при длительной обработке высохла
до влажности 7%?
21. Какую следует поддерживать относительную влажность воздуха в помещении с t=40 0С, чтобы сухие заготовки
при длительной выдержке увлажнялись до 9%?
22. В пневматической сушилке поддерживается постоян- 68 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ная влажность воздуха ϕ =25%. Какую нужно создать в ней
температуру, чтобы измельченная древесина высохла до влажности 4%?
23. Какую плотность будет иметь древесина сосны
( ρ усл. =430 кг/м3) при влажности: а) W=40%; б) W=60%; в)
W=80%; г) W=120%?
24. Определить максимально возможную влажность и
плотность древесины осины ( ρ усл. =380 кг/м3).
25. Какую условную плотность имеет древесина, если ее
плотность при влажности 100% равна 1000 кг/м3?
26. Сосновые доски тангенциальной распиловки с сечением 50х180 мм и начальной влажностью 70% высушиваются до
влажности 8%. Определить сечение досок после сушки.
27. Сырые дубовые заготовки тангенциальной распиловки
с размерами 600х100х60 мм высушиваются до влажности 6%.
Определить размеры высушенных заготовок.
28. Еловые доски при влажности 6% должны иметь толщину 32 мм. Определить припуски на усушку для досок радиальной и тангенциальной распиловки.
29. Еловые доски тангенциальной распиловки при влажности W=6% имеют размер сечения 48х180 мм. Определить размер
их сечения при влажности W=15%.
Расчет процессов нагревания и оттаивания древесины
Тепловые свойства древесины
30. Определить удельную теплоемкость сухой древесины,
если для нагревания заготовки массой 2 кг на 4 0С потребовалось сообщить ей 13600 Дж.
31. Определить удельную теплоемкость древесины, имеющей влажность W=50% при температуре: а) t=-10 0С; б) t=62 0С.
- 69 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32. Решить предыдущую задачу при влажности W=15%.
33. Определить удельную теплоемкость древесины, имеющей температуру –20 0С при влажности 70 и 5%.
34. Решить предыдущую задачу при температуре древесины t=90 0С.
35. Построить график зависимости удельной теплоемкости
древесины от влажности при температуре 40 0С.
36. Построить график зависимости удельной теплоемкости
древесины от температуры при влажности 80%.
37. Определить коэффициент теплопроводности березовой
доски толщиной S=30 мм, если при стационарной передаче тепла через нее разность температур на противоположных пластях
составляет ∆t =15 0С, а плотность теплового потока через доску
q = 100 Вт\м2.
38. Определить коэффициент теплопроводности сосновой
древесины в тангенциальном направлении, имеющей условную
плотность ρ усл. =400 кг/м3 и влажность W=40% при температуре: а) 10 0С; б) 35 0С; в) 95 0С.
39. Определить коэффициент температуропроводности
древесины сосны ( ρ усл. =400 кг/м3) в радиальном направлении,
имеющей температуру t=50 0С при: а) W=20%; б) W=80%.
Нагревание древесины при начальной
температуре выше нуля
40. Неограниченный (длинный) березовый чурак, имеющий параметры: d=20 см, W=70%, t 0 =10 0C, прогревается в воде при t c =90 0С. Определить время τ , необходимое для нагревания древесины в зоне, отстоящей от поверхности на 5 см, до
температуры t x =70 0С.
41. Неограниченный (длинный) буковый чурак, имеющий
- 70 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
параметры: d=30 см, W=50%, t 0 =20 0C, пропаривается в насыщенном паре при t c =100 0С. Определить время τ , необходимое
для нагревания чурака на оси до температуры t x =95 0С.
42. Неограниченный (длинный) еловый чурак, имеющий
параметры: d=24 см, W=70%, t 0 =15 0C, нагревается в воде при
t c =80 0С. Определить время τ , необходимое для нагревания чурака в зоне, отстоящей от оси на расстояние 4 см до температуры t x =50 0С.
43. Неограниченный еловый чурак диаметром d=24 см,
имеющий влажность W=70% и температуру t 0 =15 0C, нагревается в воде при t c =80 0С. Определить температуру древесины
t x в зоне, отстоящей от оси на расстоянии 3 см после 5 часов
нагревания.
44. Еловая одномерная доска радиальной распиловки толщиной 20 мм нагревается перед фанерованием между плитами
пресса, имеющими температуру 100 0С. Начальная температура
и влажность древесины – 10 0С и 4%. Определить время, необходимое для достижения в зоне, отстоящей на 2 мм от пласти,
температуры 90 0С. Затратами тепла на испарение влаги пренебречь.
Нагревание древесины при начальной
температуре ниже нуля
45. Замороженный березовый чурак
( ρ усл. =500 кг/м3)
диаметром D=30 см с влажностью 80% и начальной температурой t 0 =-30 0С прогревается в воде при t c =70 0С. Определить
время, необходимое для оттаивания чурака на глубине 3 см от
поверхности.
Примечание. Для определения коэффициента теплопро- 71 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
водности λ в качестве расчетной температуры рекомендуется
t
t рас = c , а для определения удельной теплоемкости при отри2
t
цательной температуре (c ( −) ) - t рас = 0 .
2
46. Замороженный березовый чурак ( ρ усл. =470 кг/м3)
диаметром D=26 см с влажностью 90% и начальной температурой t 0 =-15 0С прогревается в воде при t c =50 0С. Определить
время, необходимое для достижения чураком на окружности
диаметром d = 8 см температуры t х =30 0С.
47. Сосновый чурак ( ρ усл. =410 кг/м3) диаметром d=20 см с
влажностью W=60% и начальной температурой t 0 =-25 0С прогревается в воде при t c =30 0С. Определить время, необходимое
для достижения внутри чурака на окружности диаметром
d=10 см, температуры t х =18 0С.
Расчет процессов сушки древесины.
Коэффициенты переноса при сушке древесины
48. Определить коэффициент влагопроводности древесины
дуба (ядро) в тангенциальном и радиальном направлениях при
ρ усл. =620 кг/м3 и температуре t = 60 0С.
49. Определить средний коэффициент влагопроводности
древесины дуба (поперек волокон) при температуре t = 60 0С.
50. Определить коэффициент влагопроводности древесины
березы в тангенциальном и радиальном направлениях, а также
средние значения коэффициент при ρ усл. =450 кг/м3 и температурах 20, 40, 60, 80 и 100 0С.
51. Построить график зависимости коэффициента влаго- 72 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проводности ядровой древесины сосны ( ρ усл. =400 кг/м3) в радиальном направлении от температуры.
52. Установить, древесина какой породы в среднем при
прочих равных условиях будет сохнуть быстрее и во сколько
раз: сосна при t c =65 0С или дуб и лиственница при t c =100 0С.
53. Определить среднее значение коэффициента влагообмена между древесиной и средой при условиях: температура
среды t c =90 0С, степень насыщенности ϕ = 0,6 и скорость циркуляции v = 2,0 м/с.
54. Определить среднее значение коэффициента влагообмена при условиях: t c =95 0С, ϕ = 0,6 и v = 4,0 м/с.
55. Построить график изменения средних значений коэффициента влагообмена при ϕ = 0,3, v = 2,0 м/с в диапазоне температур среды от 0 до 100 0С.
56. Во сколько раз средний коэффициент теплообмена при
сушке материала, имеющего размер по ходу движения воздуха
l = 0,5 м, будет больше, чем при l = 5,0 м.
Расчет процессов сушки единичных
сортиментов и шпона
57. Единичные буковые дощечки ( ρ усл. =550 кг/м3) радиальной распиловки (тангенциальный ток влаги) с сечением
0,8х8 см, имеющие начальную влажность Wн = 25%, высушиваются в воздухе при t c =90 0С, ϕ = 0,5 и скорости циркуляции
v = 2,0 м/с. Определить продолжительность сушки до конечной
влажности Wк = 8%.
58. Единичные еловые доски ( ρ усл. =380 кг/м3, спелая древесина) смешанной распиловки с сечением 4,0х12,0 см, имеющие начальную влажность Wн = 22%, высушиваются в воздухе
- 73 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при t c =80 0С, ϕ =0,6 и v = 1,5 м/с. Определить продолжительность сушки до Wк = 10%.
59. Определить продолжительность сушки единичных сосновых сортиментов с сечением 6,0х16,0 см при следующих условиях: Wн = 25%, Wк = 10%, t c =85 0С, ϕ =0,7, v = 2,5 м/с.
60. Определить продолжительность сушки единичных березовых сортиментов смешанной распиловки с сечением
5,0х15,0 см при Wн = 80%, t c =95 0С, ϕ =0,75 до конечной влажности Wк = 11%.
61. Определить продолжительность сушки единичных дубовых сортиментов (ядро, ρ усл. =550 кг/м3) радиальной распиловки (тангенциальный ток влаги) с сечением 4,5х10 см при
Wн = 60%, t c =70 0С, ϕ =0,7 до конечной влажности Wк = 12%.
62. Определить продолжительность сушки единичных ядрово-заболонных сосновых досок смешанной распиловки с сечением 3,5х11,0 см при Wн = 110%, t c =90 0С, ϕ =0,6 до конечной влажности Wк = 10%.
Расчет процессов сушки в камерах периодического действия
Низкотемпературный процесс
63. Определить продолжительность сушки сосновых пиломатериалов с сечением 3,0х11,0 см, расположенных в начале
(по ходу движения воздуха) штабеля при применении режима
3-В от начальной влажности Wн = 70% до конечной влажности
Wк = 8%.
64. По условиям задачи 63 определить продолжительность
сушки штабеля в целом. Скорость поперечно-реверсивной циркуляции v = 2,0 м/с, ширина штабеля h = 2,0 м.
- 74 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примечание. Для расчета пользоваться графоаналитическим методом.
65. Определить продолжительность сушки березовых пиломатериалов с сечением 2,5х12,0 см, расположенных в начале
(по ходу движения воздуха) штабеля, при применении режима
4-Г от начальной влажности Wн = 95% до конечной влажности
Wк = 10%.
66. По условиям задачи 65 определить продолжительность
сушки штабеля в целом. Скорость поперечно-реверсивной циркуляции v = 1,5 м/с, ширина штабеля h = 1,8 м.
67. Определить продолжительность сушки лиственничных
сортиментов с сечением 6,0х14,0 см, расположенных в начале
(по ходу движения воздуха) штабеля при применении режима
6-А от начальной влажности Wн = 60% до конечной влажности
Wк = 9%.
68. Определить продолжительность сушки еловых пиломатериалов с сечением 5,5х16,0 см, расположенных в начале (по
ходу движения воздуха) штабеля при применении режима 2-Б
от начальной влажности Wн = 80% до конечной влажности
Wк = 8%.
Высокотемпературный процесс
69. Определить продолжительность собственно высокотемпературной сушки сосновых пиломатериалов с сечением
4,0х9,0 см в штабеле при применении режима III. Начальная
( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность соответственно 80 и 10%, ширина штабеля h = 1,8 м. Циркуляция поперечная, реверсивная, ее
скорость v = 2,5 м/с.
70. Определить продолжительность собственно высокотемпературной сушки лиственничных пиломатериалов с сечением 3,2х7,0 см в штабеле при применении режима VI. Начальная
- 75 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность соответственно 60 и 8%, ширина штабеля h = 2,0 м. Циркуляция поперечная, реверсивная, ее
скорость v = 1,7 м/с.
71. Определить продолжительность собственно высокотемпературной сушки еловых пиломатериалов с сечением
2,0х10,0 см в штабеле при применении режима I. Начальная
( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность соответственно 130 и 7%, ширина штабеля h = 2,2 м. Циркуляция поперечная, нереверсивная,
ее скорость v = 2,0 м/с.
72. Определить продолжительность цикла сушки, включая
влаготеплообработку, в высокотемпературной камере СПВ-62
по условиям задачи 71. Категория качества сушки III.
Примечание. Пользоваться табличным методом.
73. Определить продолжительность цикла сушки, включая
влаготеплообработку, в высокотемпературной камере ЛТАГипродрев по условиям задачи 72. Категория качества сушки II.
74. Определить продолжительность цикла сушки, включая
влаготеплообработку в высокотемпературной камере «Латгипропром» по условиям задачи 73. Категория качества сушки III.
Расчет процессов сушки в камерах
непрерывного действия
75. Определить продолжительность сушки сосновых пиломатериалов с сечением 4,0х10 см в противоточной камере непрерывного действия при состоянии среды в сухом конце
t c1 = 100 0С, ϕ1 = 0,3 ( t м = 72 0С) и в сыром конце - ϕ 2 = 0,80.
Начальная ( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность древесины соответственно 70 и 12%.
76. Определить продолжительность сушки еловых пиломатериалов с сечением 5,0х12,0 см в противоточной камере непрерывного действия при состоянии среды в сухом конце
- 76 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t c1 = 90 0С, ϕ1 = 0,35 ( t м = 670С) и в сыром конце - ϕ 2 = 0,85.
Начальная ( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность древесины соответственно 80 и 15%.
77. Определить продолжительность сушки сосновых пиломатериалов с сечением 2,2х8,0 см в нормальном режиме 2-Н в
противоточной камере непрерывного действия при поддержании в сыром конце камеры степени насыщенности ϕ 2 = 0,83.
Начальная ( Wн ) и конечная ( Wк ) влажность соответственно 65
и 18%.
- 77 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
1. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский, А.И. Расев. – М.:
Лесная пром-сть, 1987. – 360 с.
2. Горшин, С. Н. Атмосферная сушка пиломатериалов /
С.Н. Горшин. – М.: Лесная пром-сть, 1971. – 295 с.
3. Кречетов, И. В. Сушка и защита древесины / И.В. Кречетов. – М.: Лесная пром-сть, 1975. – 400 с.
4. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. –
М.: Высшая школа, 1967. – 600 с.
5. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский. – М.: Лесная промсть, 1975. – 400 с.
6. Соколов, П.В. Проектирование сушильных и нагревательных установок для древесины / П.В. Соколов. - М.: Лесная
пром-сть, 1965. – 331 с.
7. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины /
Б.С. Чудинов. – М.: Наука, 1968. – 255 с.
8. Шубин, Г. С. Физические основы и расчет процессов
сушки древесины / Г.С. Шубин. – М.: Лесная пром-сть, 1973. –
248 с.
9. Шубин, Г. С. Проектирование установок для гидротермической обработки древесины / Г.С. Шубин. – М.: Лесная
пром-сть, 1983. – 272 с.
10. Кречетов, И. В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. –
М.: Лесная пром-сть, 1980. – 432 с.
11. Богданов, Е. С. Справочник по сушке древесины / Е.С.
Богданов и [др]. - М.: Лесная пром-сть, 1981. – 191 с.
- 78 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение
Графические зависимости
Рис. П.1. График зависимости давления насыщения водяного пара от температуры (в диапазоне t н до 100 0С)
- 79 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П.2. График зависимости давления насыщения
водяного пара от температуры
(в диапазоне t н выше 100 0С)
- 80 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П.3. Диаграмма плотности древесины
- 81 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. П.4. График для определения безразмерной температуры θ
неограниченного (одномерного) цилиндра в зависимости:
а - от критерия Fo; б – от безразмерной координаты Х
- 82 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П.5. График для определения безразмерной температуры неограниченной (одномерной) пластины в зависимости от
критерия Fo и безразмерной координаты θ
- 83 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П.6. Зависимость количества незамерзшей
гигроскопической влаги Wсж от температуры t 0 древесины
Рис. П.7. Зависимость критерия глубины пропитки Z от
относительной глубины пропитки δ / S и относительного
начального давления ψ
- 84 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П.8. Графики для определения коэффициента замедления
сушки в штабеле С по комплексу С 65 S (низкотемпературный
τ
2
1
аc' 10 6
процесс)
Рис. П.9. Номограмма коэффициентов замедления высокотемпературной сушки в штабеле
- 85 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. П. 10. Номограмма для определения ∆d , ∆dmax , ϕ 2 , A ϕ в
противопоточных камерах непрерывного действия
- 86 -
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение
3
Лабораторная работа 1. Построение экспериментальной
кривой нагревания ……………………………………………...
4
Лабораторная работа 2. Расчет продолжительности
сушки единичного пиломатериала ……………………………
20
Лабораторная работа 3. Расчет продолжительности
сушки пиломатериалов в камерах периодического
и непрерывного действия ……………………………………...
31
Лабораторная работа 4. Кинетика сушки древесины ………..
39
Лабораторная работа 5. Пропитка древесины под
действием избыточного давления ……………………………..
50
Задачи для самоконтроля ………………………………………
68
Литература………………………………………………………
80
Приложение …………………………………………………….
81
- 87 -
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
141
Размер файла
900 Кб
Теги
консервирование, древесины, гидротермическая, 3369, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа