Изменение тепловых свойств древесины в период прогрева в ненасыщенной среде

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Изменение тепловых свойств древесины в период прогрева в ненасыщенной среде

О. Г. Рудак

Получены зависимости изменения температуры на поверхности и внутри древесины во времени. Определены закономерности изменения тепловых коэффициентов древесины во времени при прогреве.

Dependences of change of temperature on a surface and in wood in time are received. Regularities of change of thermal factors of wood in time are defined at heating up.

Первой технологической операцией процесса сушки пиломатериалов является начальный прогрев, который проводится с целью доведения температуры высушиваемого материала до уровня температуры сушильного агента.

В современных сушильных камерах операцию прогрева проводят при степени насыщенности обрабатывающей среды меньше 1, т. е. в ненасыщенной среде. В таких условиях прогрев древесины сопровождается испарением влаги с ее поверхности и, как следствие, уровнем температуры поверхностных слоев меньше температуры обрабатывающей среды. Данный факт можно объяснить тем, что при прогреве в ненасыщенной среде в древесине возникают два совместно протекающих процесса явления переноса тепла: теплопроводность, направленная от поверхностных слоев сортимента к внутренним, и влагопроводность во встречном направлении. Таким образом, при начальном прогреве будут изменяться как температура, так и влажность древесины, что повлечет за собой изменение и других физических свойств древесины. В этой связи, исследования направленные на измерение текущих значений теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности, представляет несомненный практический интерес.

Существующие методы исследования тепловых свойств древесины дают возможность их определения лишь в определенных стационарных условиях, т. е. в условиях, когда тепловой поток, проходящий через древесину сохраняется постоянным во времени. Начальный прогрев древесины относится к нестационарным процессам, поскольку имеет место изменяющаяся во времени и по сечению температура самого сортимента и температура агента обработки. Поэтому авторами был применен метод ис-следования, основанный на способе комплексного определения теплофизических ха-рактеристик при теплообмене тел в среде с линейно изменяющейся температурой. Один из способов комплексного определения теплофизических характеристик в режиме линейного нагрева состоит в использовании системы тел, одно из которых имеет известные теплофизические свойства. Этот метод был впервые реализован Е. П. Шурыгиной [1].

Целью настоящей работы было определение характера изменения тепловых свойств древесины во времени в период начального прогрева, а также определение скорости изменения температуры на поверхности и внутри древесины.

Принципиальная схема экспериментальной установки тепловых свойств древесины в период начального прогрева в ненасыщенной среде представлена на рис. 1.

Пластина из древесины сосны толщиной 2l1, соприкасается с двумя стальными пластинами, каждая из которых имеет толщину l2. Теплофизические свойства крайних пластин тождественны, но отличны от свойств средней пластины.

Для определения температуры внутри и на поверхности древесины применяли измерительную систему, имеющую четыре температурных датчика DS18S20. На металлическую пластину, поверхность которой контактирует с воздухом устанавливается термодатчик Т1, а на поверхность, граничащую с древесиной ? термодатчик Т2. На глубине, соответствующей половине толщины образца из древесины располагается термодатчик Т3, а на поверхности древесины, соприкасающейся с другой металлической пластиной ? термодатчик Т4. Все датчики были изолированы пастой КПТ-8 во избежание влияния обрабатывающего агента на результаты измерений. Начальная температура всех элементов системы была одинаковой и равной температуре окружающей среды t0 = 15-20°С.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

1 - металлические пластины (сталь 20); 2 - образец из древесины сосны;

3 - термошкаф; 4 - измерительная система; 5 - компьютер

Для обеспечения нагрева образца древесины вышеописанную систему пластин помещали в термошкаф (рис. 2, б). Температуру обрабатывающего воздуха контролировали с помощью термодатчика Т5. Показания всех датчиков фиксировали с точностью 0,5°С с периодичностью 5 минут в начале и 20 минут в конце процесса прогрева. Прогрев проводили до тех пор, пока разница температур на поверхности и внутри древесины не составляла 0,5°С. Влажность образцов определяли с помощью влагомера марки GANN HT 85. Условия проведения экспериментальных исследований и характеристика образцов из древесины и металлических пластин представлена в табл. 1 и 2 соответственно.

а б

Рис. 2. Общий вид измерительной системы

а - система пластин; б - измерительная установка

Таблица 1

Условия проведения эксперимента

Таблица 2

Характеристика металлических пластин

Описанная экспериментальная установка позволяет определить в любой выбранный момент времени перепады температур по толщине металлических пластин ДФ = Ф1(l1,ф ) - Ф2(0,ф) и образца из древесины ДФ0 = Ф4(l1 + l2,ф) - Ф3(l1,ф). Используя результаты измерений по нижеприведенным формулы можно рассчитать тепловые характеристики древесины и установить характер их изменения во времени.

, (1) , где (2)

(3) (4)

, (5)

где b - скорость нагревания поверхности металлических пластин,єС/ч; л1, л2 - коэффициент теплопроводности металла и древесины соответственно, Вт/(м · єС); а1 - коэффициент температуропроводности древесины, м2/с; с1, с2 - удельная теплоемкость металла и древесины, Дж/(кг · єС); г1, г2 - плотность металла и древесины, кг/м3 [1].

В ходе проведенных экспериментальных исследований был определен характер изменения температуры поверхностных и внутренних слоев древесины во времени.

На рис. 3 приведены графические зависимости, полученные для образцов из древесины сосны толщиной 40 мм, начальной влажностью Wнач = 30%, прогреваемых при температуре среды tс = 40єС, 60єС и 80єС. Нагрев осуществлялся в радиальном направлении.

Анализ графиков, представленных на рис. 3, показывает, что температура воздуха в термошкафу устанавливается на требуемом уровне (40єС, 60єС и 80єС) уже через 3-10 мин после начала нагревания. После этого она остается неизменной на протяжении всего эксперимента. Таким образом, можно считать, что нагревание древесины проходит при постоянной температуре обрабатывающей среды.

Нагревание поверхностных слоев образцов древесины начинается сразу, а внутренних - с некоторым опозданием. Через 20 мин после начала процесса разница температур на поверхности и внутри образцов достигает максимальной величины и составляет 4єС, 7єС и 11єС при температуре среды 40єС, 60єС и 80єС соответственно.

а б

в

Рис. 3. Изменение температуры древесины сосны во время прогрева при температуре обрабатывающей среды:

а - 40єС; б - 60єС; в - 80єС

При дальнейшем нагревании различие температур поверхностных и внутренних слоев древесины остается практически постоянным вплоть до момента достижения поверхностью образца температуры обрабатывающей среды. В первом случае это произошло через 140 мин после начала процесса нагревания, во втором - через 190 мин., в третьем - через 420 мин. Далее при постоянной температуре поверхностных слоев увеличивается только температура внутри образца, что приводит к их полному выравниванию. В результате продолжительность полного прогрева образцов сосновой древесины толщиной 40 мм и начальной влажностью 30% составила: 187 мин при температуре обрабатывающей среды 40 єС, 220 мин при температуре 60 єС и 550 мин при температуре 80 єС.

Обращает на себя внимание тот факт, что в процессе нагревания древесины возникает и длительное время поддерживается значительная разность температур среды и поверхности образца древесины. Это однозначно свидетельствует о том, что нагревание сопровождается испарением влаги с поверхности древесины, т. е. об одновременном протекании тепло- и влагопереноса.

Графические зависимости, аналогичные представленным на рис. 3, были получены и для других условий эксперимента, указанных в табл. 1. Во всех случаях характер изменения температуры поверхностных и внутренних слоев в процессе нагревания был одинаковым. Сопоставление полученных графиков между собой позволило отметить следующее:

1. С повышением температуры увеличивается продолжительность процесса прогрева, а также возрастает скорость изменения температуры на поверхности и внутри древесины.

2. При увеличении влажности древесины скорость изменения температуры древесины уменьшается, и как следствие возрастает продолжительность прогрева.

3. С увеличением толщины образца увеличивается продолжительность прогрева, а скорость изменения температуры древесины остается практически одинаковой.

Для определения характера изменения теплофизических характеристик древесины во времени при прогреве были выполнены расчеты величины удельной теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности по вышеприведенным формулам.

Поскольку закономерности изменения теплофизических характеристик древесины для всех условий прогрева аналогичны, для примера в табл. 3 приведены результаты расчетов для древесины сосны толщиной 40 мм, с начальной влажностью Wн = 30%, а в табл. 4 ? для образцов толщиной 40 мм, начальной влажностью Wн = 53% Нагрев происходил в радиальном направлении.

древесина прогрев температура

Таблица 3

Теплофизические свойства сосновой древесины влажностью Wн = 30%

Таблица 4

Теплофизические свойства сосновой древесины влажностью Wн = 53%

Анализируя данные, представленные в табл. 3 и 4, отметим, прежде всего, что полученные значения всех теплофизических характеристик древесины не противоречат сведениям, известным в литературе [2]. При этом, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности, измеренные у древесины с начальной влажностью Wн = 53%, больше, чем у более сухой древесины (Wн = 30%), что также согласуется с современными представлениями о свойствах древесины.

Прогрев древесины при температуре среды 40єС и 60єС сопровождается увеличением удельной теплоемкости и снижением коэффициента теплопроводности. Коэффициент температуропроводности также уменьшается.

Изменения вышеуказанных тепловых коэффициентов древесины при температуре 80єС в период прогрева носят несколько иной характер. В начале процесса, когда перепад температур по толщине древесины достаточно велик, наблюдается увеличение удельной теплоемкости и снижение коэффициентов теплопроводности и температуропроводности.

В период прогрева, когда при постоянной температуре поверхностных слоев увеличивается только температура внутри образца как рост удельной теплоемкости, так и снижение коэффициентов теплопроводности и температуропроводности замедляется.

Литература

1. Лыков, А. В. Методы определения теплопроводности и температуропроводности/ А. В. Лыков. - М.: Энергия, 1973.

2. Серговский, П. С.. Гидротермическая обработка и консервирование древесины/ П. С Серговский, А. И. Рассев. - М.: Лесная пром-сть, 1987.

Размещено на Allbest.ru