Обработка древесины в электромагнитных и тепловых полях при пониженном давлении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат наук Горешнев, Максим Алексеевич

• Горешнев, Максим Алексеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Горешнев, Максим Алексеевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор физических свойств и способов сушки древесины

1.1 Физические свойства древесины и её применение

1.2 Электрофизические свойства древесины

1.3 Физические свойства древесины лиственных пород

1.3.1 Влагопроводность древесины

1.3.2 Коэффициент температуропроводности

1.3.3 Термовлагопроводность древесины

1.3.4 Коэффициент влагообмена

1.3.5 Движение влаги под действием давления

1.4 Способы сушки древесины

1.5 Структура и строение древесины

1.6 Выводы к 1 главе

2 Глава. Методика проведения исследований

2.1 Описание комбинированного способа

2.2 Методика проведения исследований сушки комбинированным способом

2.2.1 Комплекс для сушки древесины комбинированным способом

2.2.2 Система измерений

2.3 Методика определения теплофизических параметров объёмно- пропитанной древесины

2.3.1 Коэффициент температуропроводности

2.3.2 Коэффициент влагопроводности

2.3.3 Коэффициент термовлагопроводности

2.3.4 Коэффициент парообразования

2.3.5 Коэффициент конвективной диффузии

2.3.6 Коэффициент паровлагопроводности

2.4. Определение элеткрофизических параметров древесины

2.4.1 Элеткропроводность

2.4.2 Относительная диэлектрическая проницаемость

2.4.3 Определение тангенса диэлектрических потерь

2.4.4 Напряжение электрического пробоя

2.5 Выводы к 2 главе

Глава 3. Тепловлагоперенос при комбинированной сушке древесины

3.1 Сушка древесины естественной влажности комбинированным способом

3.2 Сушка объёмно-пропитанной древесины кондуктивным способом

3.3 Сушка объёмно-пропитанной древесины комбинированным способом

3.4 Теплофизические параметры объёмно-пропитанной древесины берёзы

3.4.1 Коэффициент температуропроводности

3.4.2 Коэффициент влагопроводности

3.4.3 Коэффициент термовлагопроводности

3.4.4 Коэффициент парообразования

3.4.5 Коэффициент конвективной диффузии

3.4.6 Коэффициент паровлагопроводности

3.5 Электрофизические параметры объёмно-пропитанной древесины берёзы

3.5.1 Удельное сопротивление

3.5.2 Относительная диэлектрическая проницаемость

3.5.3 Тангенс угла диэлектрических потерь

3.5.4 Напряжение электрического пробоя

3.6. Оптимальные режимы сушки

3.6.1 Требования к камере:

3.6.2 Требования к системе электродов и укладке штабеля

3.6.3 Требования к высокочастотному (ВЧ) генератору

3.6.4 Требования к системе регистрации и контроля

3.6.5 Технологический регламент сушки древесных заготовок комбинированным способом при пониженном давлении

3.7 Выводы к 3 главе

Глава 4. Моделирование тепломассопереноса при комбинированной сушке

4.1 Физические основы тепло- и массообмена

4.2 Обзор моделирования сушки древесины

4.3 Построение алгоритма расчёта тепловалгопереноса

4.4 Реализация модели в математическом пакете

4.5 Сравнение данных моделирования с экспериментом

4.6 Вывод к 4 главе

Заключение

Список литературы:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обработка древесины в электромагнитных и тепловых полях при пониженном давлении»

Введение

Как известно древесина является одним из самых дешёвых и экологичных строительных материалов. Помимо высоких механических свойств, древесина обладает и неплохими электроизоляционными свойствами.

Сушка древесины является необходимой операцией для изготовления изделий из древесины. Основные требования к сушке - это качество выходного продукта, снижение энергозатрат и увеличение скорости процесса. Обычно древесину сушат конвективным способом. Для повышения качества, то есть снижения внутренних механических напряжений, минимизации трещин и градиента влажности, увеличивают время сушки, что приводит к удорожанию продукта. Сушка очень энергоёмкий процесс, так как на испарение воды необходимо затратить большое количество энергии. Для уменьшения энергетических затрат, со второй половины прошлого столетия, начали применять сушку в вакууме. Это позволило снизить затраты в 1,5-2 раза по сравнению с конвективной сушкой. Интенсификация удаления влаги из древесины может происходить за счет использования методов, обеспечивающих её объемный нагрев электромагнитным полем в высокочастотном (ВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Недостатком использования только электромагнитного излучения для сушки древесины является высокая стоимость электроэнергии и сложность оборудования. Для снижения производственных затрат и получения равномерного распределения влажности возможно использование комбинированного способа сушки, который совмещает кондуктивный ввод энергии, позволяющий использовать тепловую энергию при сжигании древесных отходов, и ВЧ нагрев при пониженном давлении. Сущность данного метода заключается в том, что ВЧ поле используется для нагрева внутренней части заготовки, а тепловая энергия обеспечивает введение энергии через поверхность древесины.

Оптимизацией соотношения энергии, вводимой через поверхность и в объём можно выравнять влагосодержание и температуру в центральных и поверхностных слоях заготовки. Это снизит механические напряжения и растрескивание древесины, а также позволит увеличить скорость влагопереноса при минимальном градиенте влажности в приповерхностных и внутренних слоях. Поэтому актуальной задачей является разработка оптимальных технологических режимов сушки древесины комбинированным способом.

Понимание механизмов влагопереноса при комбинированном способе введения энергии позволит оптимизировать сушку. Основные механизмы движения влаги в древесине обусловлены градиентами влажности, температуры и давления. Направления потоков влаги под действием этих градиентов может быть как сонаправленными, так и противодействующим друг другу. Поэтому необходимо с приемлемой точностью определить величины движущих сил, под

влиянием которых происходит влагоперенос. В настоящее время специально разработанной модели сушки древесины комбинированным методом при пониженном давлении не существует, что вынуждает использовать общие уравнения тепломассопереноса капиллярно-пористых сред. Наиболее полно описывает тепломассоперенос система уравнений, выведенных академиком Лыковым A.B., для которых требуется знание параметров, зависящих от свойств материала. Эти параметры невозможно определить априори, не зная основных каналов влагопереноса, то есть структуру древесины. Для описания влагопереноса необходимо опытное определение параметров для каждого вида древесины.

Разработанные ранее и используемые технологии объёмной пропитки лиственных пород позволяют улучшить физико-механические свойства древесины, уменьшить гигроскопичность, подверженность к гниению, а также повысить противопожарные свойства. Для объёмно-пропитанной, так называемой модифицированной древесины требуется разработка собственных режимов сушки, поскольку при пропитке изменяется структура и свойства материала. Необходимы также исследования электрофизических свойств модифицированной древесины берёзы.

Объектом исследования в работе является тепломассоперенос в древесине берёзы при комбинированном способе сушки

Цель работы

Разработка и оптимизация режимов сушки комбинированным способом древесины берёзы естественной влажности и модифицированной объёмной пропиткой.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить электрофизические свойства объёмно-пропитанной древесины берёзы в зависимости от её влажности.

2. Установить закономерности тепломассопереноса в древесине лиственных пород при комбинированном способе сушки в атмосфере пониженного давления.

3. Экспериментально определить характеристики объёмно-пропитанной древесины берёзы, влияющие на тепломассоперенос.

4. На основе анализа тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах разработать феноменологическую модель и программное обеспечение для моделирования сушки древесины в разреженной атмосфере.

5. Разработать практические рекомендации по технологическим режимам сушки древесины.

Научная новизна

1. Определены диэлектрическая проницаемость, проводимость, тангенс угла диэлектрических потерь, напряжение пробоя и теплофизические свойства объёмно-пропитанной древесины берёзы в зависимости от влажности.

2. Впервые получены временные зависимости внутреннего избыточного давления для сушки пропитанной древесины берёзы при пониженном давлении, а также экспериментально установлено определяющее влияние внутреннего избыточного давления на движение влаги и рассчитана удельная энергия физико-химической связи влаги и стенок пор.

3. Установлены оптимальные режимы сушки объёмно-пропитанной древесины берёзы и берёзы естественной влажности комбинированным способом.

4. Разработан алгоритм расчёта тепловлагопереноса в древесине берёзы для комбинированного способа сушки в рамках теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах.

5. Получены зависимости электрофизических свойств от влажности объёмно-пропитанной гидрофобными и биозащитными составами древесины берёзы.

Значение полученных результатов для теории и практики

1. Создана универсальная методика исследований тепловлагопереноса в древесине.

2. Измеренные зависимости электрофизических свойств от влажности позволяют прогнозировать использование древесины в качестве изоляционного материала и могут быть использованы при создании изоляции высоковольтных линий электропередачи, трансформаторов и другого оборудования.

3. Показано превалирующее влияние внутреннего избыточного давления паровоздушной смеси на тепловлагоперенос при сушке лиственных пиломатериалов, в частности берёзы при пониженном давлении.

4. Результаты экспериментальных исследований тепломассопереноса объёмно пропитанной древесины берёзы и берёзы естественной влажности позволяют моделировать её комбинированную сушку.

5. Разработаны оптимальные технологические режимы сушки комбинированным способом естественной влажности и объёмно-пропитанной древесины берёзы.

6. Разработано техническое предложение на создании промышленной технологической карты для сушки древесины комбинированным способом.

Методы исследования

Для решения поставленных задач разработаны и использованы установки, включая лабораторные и опытно-промышленные сушильные вакуумные камеры, оснащённые

оборудованием для измерения температуры, влажности древесины, влажности и давления в камере, избыточного давления в древесине, потребляемой тепловой и электрической энергии. Все данные регистрировались электронными самописцами, подключенными к ПК.

Для исследования электрофизических свойств модифицированной древесины использовался лабораторный измеритель иммитанса, а также высоковольтный стенд для определения напряжения пробоя.

Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждается использованием современного оборудования и методик исследования, достаточным количеством экспериментальных данных и применением статистических методов их обработки.

Положения выносимые на защиту

1. Оптимальные режимы введения энергии при сушке древесины комбинированным способом, основанные на результатах измерений динамики влажности, температуры и внутреннего давления.

2. Зависимости электрофизических и теплофизических характеристик, влаго - и паропереноса древесины берёзы в зависимости от влажности материала.

3. Внутреннее избыточное давление в древесине берёзы достигает 15 кПа и значительно влияет на влагоперенос при сушке в атмосфере пониженного давления.

4. Алгоритм и программа для моделирования тепловлагопереноса в капиллярно-пористых средах при сушке в атмосфере пониженного давления.

Личный вклад автора заключается в участии и постановки задач и их реализации, проведении экспериментальных исследований. Автором самостоятельно предложена методика определения параметров объёмно-пропитанной древесины, разработан алгоритм расчёта блочного типа для тепловлагопереноса при комбинированной сушке. Совместно с коллегами найдены оптимальные режимы для сушки лиственных и хвойных пород древесины комбинированным методом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIV Минском международном форуме по тепломассообмену (Белоруссия, 2012), на XVII , XVIII, XIX международной научно - практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2011, 2012, 2013), на XII Всероссийском студенческом научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 2010).

По результатам исследований было опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, заключения и списка литературы. Её содержание изложено на 101 странице машинописного текста, содержит 51 рисунок и 9 таблиц. Библиографический справочник содержит 99 наименований.

Глава 1. Литературный обзор физических свойств и способов сушки древесины.

1.1 Физические свойства древесины и её применение.

Древесина считается одним из самых доступных, дешёвых и простых в обработке строительных материалов. Как известно, древесина обладает достаточно высокими физико-механическими и диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать её в качестве элементов электрической изоляции, строительного, отделочного и мебельного материала и др. Основные достоинства древесины как электроизолятора - это дешевизна, простота обработки, достаточно высокая электрическая прочность. Древесина, как изоляционный материал используется в опорах линии электропередач, траверсах, в трансформаторах и т.п. [1,2] Основными недостатками являются высокая гигроскопичность, необходимость качественной сушки, подверженность гниению.

Свойства древесины зависят от породы, места произрастания, времени заготовки и т.д. Плотность сухой древесины, произрастающей в России, в зависимости от породы может варьироваться от 400 до 800 кг/м3. Влажность свежесрубленной древесины, в зависимости от времени заготовки пиломатериала, находится в пределах от 50 до 100 %. В естественном состоянии древесина обладает нестабильными электрическими свойствами. Для повышения и стабилизации электроизоляционных свойств, древесину пропитывают различными составами, снижающими гигроскопичность. Улучшение свойств достигают прессованием или склеиванием древесного шпона, например дельта древесина, которая представляет собой склеенный шпон, пропитанный смолой. На основе пропитки различными химическими веществами создано много модификаций древесины с требуемыми физико-механическими и электроизоляционными свойствами. Наибольшее применение в электротехнике находят дуб, берёза и граб, которые используются в трансформаторах с масляным заполнением, опорных элементов обмоток, в электромашинах для пазовых клиньев и т.д.

Сравнение физико-механических и электрофизических свойств древесины берёзы [3] с другими диэлектрическими материалами [4] показывает её конкурентоспособность, при учёте дешевизны и простоты обработки (табл. 1.1).

В таблице приведены усреднённые данные, из которых можно видеть, что анизотропия древесины обуславливает её физические свойства. Поэтому электрическая прочность древесины вдоль волокон в 4-8 раза ниже, чем поперёк.

Таблица 1.1.

Древесина берёзы ПЭНД Гетинакс 251 Асботекстоли т - А Полиэтилен

Плотность 550-640 940-960 1350-1450 1500-1700 950

Разрушающее напряжение при сжатии вдоль 44,7 МПа 20-40 МПа 80 МПа 95-110 МПа

Разрушающее напряжение при статическом изгибе при изгибе перепенд. 99,7 МПа 60 МПа 37 МПа

Относительная диэлектрическая проницаемость 3,2 2,2-2,4 (1 МГц) 5,5 (50 Гц) 2,25

Тангенс угла диэлектрических потерь 0,0132 0,002-0,004 (до 1 МГц) 0,4 (для сух.) 0,001

Электросопротивле ние 9*10" Ом*м (поперёк волокон при 7% влажности) ~1015 10ш Ом*м 107 ю16

Электрическая прочность 9,1 кВ/мм (радиальное) 7,6 кВ/мм (тангенциал ьное) 1,26 кВ/мм (вдоль) 45-55 кВ/мм 1,6 кВ/мм (образец 25 мм толщины) 1 кВ/мм (образец 8 мм) 53 кВ/мм

Основным требованием применения древесины в качестве электроизоляционных элементов, в мебельной и строительной промышленности является её сушка до относительной влажности менее 12 %. По многим характеристикам сухая древесина не уступает другим электроизоляционным материалам. Для более конкретного применения древесины как диэлектрика, необходимо знать её электрофизические свойства.

1.2 Электрофизические свойства древесины.

Абсолютно сухая древесина обладает удельным сопротивлением 10,3-1015 Ом •м, а по диэлектрической проницаемости относится к полярным диэлектрикам. По мере увлажнения удельное сопротивление р снижается. Древесина становится по проводимости близкой к полупроводникам. В переменном электромагнитном поле электрические свойства древесины определяются поляризационными процессами, происходящими при взаимодействии молекул с внешним электромагнитным полем. В этом случае влажную древесину рассматривают как полярный диэлектрик [5]. Магнитная восприимчивость древесины имеет очень низкие значения (-0,2...-0,4) 10"6, поэтому при взаимодействии древесины с электромагнитным полем влияние его магнитной составляющей пренебрежимо мало и не учитывается.

Удельное электрическое сопротивление (УС) древесины зависит от породы, направления волокон, влажности и температуры. Вдоль волокон УС меньше, чем поперёк. С ростом влажности от нуля до влажности насыщения клетки УС резко снижается. С дальнейшим ростом влажности ишжение УС продолжается в меньшей степени. Повышение температуры та же приводит к уменьшению УС. В среднем с повышением температуры от 20 до 94 °С УС сухой древесины уменьшается в 106, а древесины с влажностью 22—24% в 100 раз. При отрицательной температуре УС древесины возрастает. Так, для берёзы вдоль волокон при влажности 76% и температуре 0 °С УС составляет 107 Ом-см, а при температуре -24° С оно возрастает до 108 Ом-см.

Электрическая прочность древесины зависит от направления волокон. Вдоль волокон электрическая прочность значительно меньше, чем поперёк. С увеличением влажности и температуры электрическая прочность уменьшается [6]. В качестве диэлектрика, может использоваться древесина только при влажности меньше 20% .

Способность к поляризации является одним из важнейших свойств древесины. Явление поляризации сводится к изменению расположения в пространстве электрически заряженных частиц, образующих древесину. При этом они приобретают электрический момент. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядочение расположения зарядов молекул веществ, образующих древесину. Поляризованность (интенсивность поляризации) Р — величина, численно характеризующая явление поляризации во внешнем электр1гческом поле.

Суммарная поляризованность древесины, представляющая средний дипольный момент единицы объема, выражается суммой всех видов поляризованностн

Р = Рэ + Ри + Рд +РЛ, + РЭЛ, (1.1)

где Рэ - электронная; Ри - ионная; Рд — дипольно-релаксационная (дипольная); Рм — миграционная (структурная); Рэл — электролитическая.

Дипольная поляризация вызывает рассеяние электрической энергии, переходящее в теплоту. Удельные диэлектрические потери или мощность, выделяемую в 1 м3 можно определить следующей формулой:

N = 5.55 ■ Ю-11 ■ / ■ £ ■ ■ Е2, (1.2)

где Е - напряжённость электромагнитного поля; е - относительная диэлектрическая проницаемость среды; f - частота;

Ьд8 - тангенс диэлектрических потерь;

и

0

г

яа са

г

Им См

г

Р1эл Сэл

Ипр

упругие

релаксационные

Рисунок 1.1. Эквивалентная электрическая схема замещения.

Эквивалентную схему замещения древесины как диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде конденсаторов С и резисторов Я (рис. 1.1). Сопротивление Япр представляет собой сопротивление току сквозной электропроводности древесины. В различных условиях в зависимости от рассматриваемого диапазона частот не все виды поляризации принимаются в расчет. Так, в области частот 105 -Ю10 Гц, применяемых для ВЧ и СВЧ нагрева, влияние электронно- ионной поляризации (К)"10 -10~16 с) незначительно, а определяющее значение имеет дипольная и миграционная поляризация.

Древесина состоит из молекул различных веществ, содержащих влагу в различных формах и состояниях. Молекулы этих веществ и воды в разных состояниях обладают разными временами релаксации. Время релаксации и поляризуемости древесины происходит по статистическим законам, которые могут выражаться нормированной функцией распределения.

1.3 Физические свойства древесины лиственных пород

Древесина является пористым материалом, поэтому физические свойства древесины сильно зависят от насыщенности пор влагой. Влажность древесины принято определять как абсолютную влажность, то есть количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала:

(1.4)

тпс

где т - вес влажной древесины,

тс- вес древесины в абсолютно сухом состоянии.

Основываясь на классификации Л.Р. Ребиндера [7], все формы связи влаги делятся на три основные группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химическая связь не нарушается при тепловой обработке древесины, если температура сушильного агента не превышает 150-180°С.

Физико-химическая или адсорбционная связь основана на молекулярном взаимодействии материала и влаги. Влага адсорбируется поверхностью мицелл, обусловленной физико-химическими силами притяжения. При адсорбционном поглощении тело увеличивает свои размеры.

Физико-механическая связь обусловлена силами поверхностного натяжения жидкости в капиллярах. Капиллярная конденсация влаги из воздуха может происходить только в мелких

7 6

капиллярах радиусом м. Адсорбционную влагу и влагу микрокапилляров называют

связанной, а влагу макрокапилляров - свободной [8].

Количество связанной влаги во всех породах приблизительно равны и находится в пределах 28-33%. Предельное количество свободной влаги зависит от объёмного веса древесины. Состояние древесины, при котором имеется только максимальное количество связанной влаги, называется точкой насыщения.

При взаимодействии древесины с окружающей средой в ней происходят процессы удаления или поглощения влаги. Предельная влажность влагопоглощения древесины, отвечающая определённым параметрам окружающей среды, называется равновесной. Для всех пород равновесная влажность приблизительно одинакова и основные отличия вносятся только за счёт влаги капиллярной конденсации, то есть при степени насыщенности воздуха более 80%.

1.3.1 Влагопроводность древесины.

Коэффициент влагопроводности а м2/с, является основным показателем, характеризующим интенсивность потока влаги внутри древесины. Он входит в расчётные уравнения влагопереноса, то есть потока влаги ц, кг/м2-с [11].

аи

Я = ~«РоТх

(1.5)

Отсюда следует, что коэффициент влагопроводности характеризует количество влаги, перемещаемой в единицу времени через единицу поверхности при разности концентрации влаги в 1 кг/м3 на 1 м толщины. Штрих сверху относится к характеристикам связанным с влагопереносом. Аналогом коэффициента влагопереноса а является коэффициент температуропроводности а.

а^О*. см*/с

/

г

у

г

тан'М3. С»'/С 10

4 J /

1.5 И

0.75 &50

А

1 ■

у*

л г

л V

50 70 90 110 г:с

30

50

70 90 6

но г,*с

Рисунок 1.2. Экспериментальные данные (1) работы [34] до t = 100°С и расчётные

данные (2) работы [35] до 120 0 С

а - в обычных координатах; б - в логарифмических координатах.

Для древесины березы экспериментально получено снижение коэффициента а по мере уменьшения температуры (рис 1.2). В [8,12] установлено соотношение между радиальной и тангенциальной влагопроводностью. По данным Шубина оно колеблется от 1,23 до 1,28 и в среднем может быть взято 1,25.

1.3.2 Коэффициент температуропроводности.

Перенос тепла основывается на трех основных явлениях: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. При термической обработке древесины внутренний теплоперенос осуществляется главным образом теплопроводностью [11].

Известно, что потоки тепла возникают в среде только при условии температурных градиентов, отличных от нуля. Согласно гипотезе Фурье, вектор теплового потока д прямо

пропорционален первой степени температурного градиента

Я = —А ■ дгаб.(Т), (1.4)

где X— коэффициент теплопроводности, кДж/м-сек-град; Т - температура, ° С. Также известно количество тепла, протекающее за время йт через элемент поверхности (¡Б, равно

с1() = МгйБ дгас1 (1.5)

Для однородного тела выражения (1.4) и (1.5) можно преобразовать

Тт = аАТ, (1.6)

я ?

где а =--коэффициент температуропроводности - м /ч, А — оператор Лапласа.

су

Коэффициент температуропроводности, характеризующий теплоинерционные свойства тела, представляет собой количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу площади при разности объемного теплосодержания в 1 Дж/м3 на расстоянии в 1 м.

Процесс переноса тепла на границе между твердым телом, газом или жидкостью осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. Их совокупное действие называется конвективным теплообменом.

Связь между количеством тепла, передаваемого путем соприкосновения, и условиями теплообмена может быть установлена на основе закона Фурье в виде уравнения (1.7)

<? = -А//(5)0гаедс[5 (1.7)

Обычно для практических расчетов в основу рассматриваемой связи берется формула Ньютона (1.8)

(} = о5(£5 - Ы (1.8)

где /у —температура поверхности твердого тела, °С; 1С —температура среды, °С; а — коэффициент теплоотдачи, кДж/м2-сек-°С.

Вся сложность расчета процесса теплоотдачи сводится к определению величины коэффициента теплоотдачи а, так как он зависит от многих факторов, таких как температура, влажность, скорость воздуха и т.д. Для практических расчётов его определяют экспериментально применительно к каждому конкретному случаю.

1.3.3 Термовлагопроводность древесины.

Термовлагопроводность - это перенос влаги в капиллярно-пористом теле под влиянием температурного поля. В [12,13,14] представлены измерения и получена обобщенная

номограмма измеренного коэффициента термовлагопроводности 6 от влажности IV для древесины берёзы (рис. 1.3).

$0 50 40

1 ДО

10 о

иьо' с -50

к, до

■100

Рисунок 1.3. Зависимость термовлагопроводности от влажности и температуры

древесины берёзы.

При повышении влажности древесины № > \¥нв, где Щ<в предельная влажность насьпцения волокна, коэффициент 5 после некоторого увеличения уменьшается и при У/ ~ 100 % стремится к нулю. При этом в отличие от области У/ < \¥нв опытные данные различаются по температуре (рис 1.3), с повышением которой значения 5 уменьшаются. Кривые зависимости коэффициента термовлагопроводности от влажности во всем диапазоне имеют точку перегиба при XV = 40 ... 50 %, характерную для зависимостей различных коллоидных и капиллярно-пористых тел [12]. Номограммы для других пород древесины, таких как дуб и сосна схожи с номограммами, полученными для берёзы.

1.3.4 Коэффициент влагообмена.

При рассмотрении явлений, составляющих процесс сушки древесины, необходимо остановиться на явлении влагообмена древесины со средой. Интенсивность влагообмена на поверхности обычно оценивают уравнением

1 = /?Уо (ипов-ир-), (1-9)

где I — плотность потока влаги, кг/м2- ч; /3 — коэффициент влагоотдачи, м/ч; . у о— удельный вес сухого вещества, кг/м3, (/пов. — влажность поверхности материала, проц.; £/р -равновесная влажность, соответствующая параметрам окружающей среды, %. Для установления величины коэффициента влагоотдачи П.С. Серговский применил разработанный им метод сушки плоских образцов [15]. Установлено, что основными факторами, влияющими на величину коэффициента влагоотдачи, являются температура воздуха, скорость его движения, условный объёмный вес древесины и влажность её поверхности.

Определение коэффициента влагоотдачи с поверхности материала при сушке является сложной задачей. Для практических расчетов ограничиваются отысканием средних коэффициентов влагоотдачи по известной температуре, скорости воздуха, по материалу и условному объемному весу.

1.3.5 Движение влаги под действием давления.

Наличие градиента общего давления внутри капиллярно-пористого тела вызывает молярный перенос паровоздушной смеси. Для учета молярного переноса влажного воздуха применяется уравнения потока через пористое тело по закону Дарси:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горешнев, Максим Алексеевич, 2013 год

Список литературы:

1. Шергупова H.A. Пропитанные деревянные опоры - идеальный материал для воздушных линий электропередачи // Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки.- № 2(20).-2007.-С. 163-164.

2. Шергунова H.A. Исследование свойств древесины изоляционных конструкций воздушных линий в регионах с тяжелыми экологическими условиями эксплуатации // Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия.- №2(52).- 2007,- С. 307-314.

3. Лесная энциклопедия: В 2-х т., т.2/Гл.ред. Воробьев Г.И.; Ред.кол.: Анучин H.A., Атрохин В.Г., Виноградов В.Н. и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1986.-631 е., ил.

4. Справочник по электротехническим материалам : в 3 т. / под ред. Ю. В. Корицкого. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1974-1976. Т. 1. — 1974. — 583 с.

5. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины./ М.: Лесн. пром-ть, 1986.-128 с.

6. Лесная энциклопедия: В 2-х т., т.2/Гл.ред. Воробьев Г.И.; Ред.кол.: Анучин H.A., Атрохин В.Г., Виноградов В.Н. и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1986.-631 с.

7. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика: избранные труды / М.: Наука, 1979. — 384 с.

8. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / М.: Лесн. промышленность, 1990.- 336 с

9. Щедрина Э.Б. Исследование тепловых и влажностных характеристик древесины в условиях повышенных и пониженных температур: Дис. Канд. Тех. Наук. — М.: 1976.- 186 с.

10. Серговский П.С. Влагопроводность древесины // Деревообраб. Пром-ть , 1955 . - № 2.-С. 3-8.

11. Лыков A.B. , Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. / М. - Л. Госэнергоиздат, 1963.-536 с.

12. Лыков A.B. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. -М.: ГИТТЛ, 1954.- 296 с.

13. Шубин Г.С. Некоторые результаты исследования термовлагопроводности древесины // Науч. Тр..- М.- МЛТИ . - №107 . - 1978 .- С. 37-46

14. Дущенко Г.Н., Байджанов Х.Б., Василенко В.П. Влияние различных форм связи влаги, пористой структуры и температуры на коэффициенты внутреннего переноса типичных дисперсных материалов./ Киев: Наукова думка.- Т.6 (1).- 1968.- С. 105-115.

15. Серговский П.С. Расчет процессов высыхания и увлажнения древесины.- М.: Гослесбумиздат, 1953.- 78 с.

16. Шубин Г.С. О закономерностях и мтеодах расчёта продолжительности высокотемпературной сушки древесины.- В кн.: Всесоюзное совещание по сушке в основных отраслях промышленности и сельского хозяйства. - М.: 1956; 1958- С. 265

17. Spolek G. A. and Plumb О. A.. Capillary Pressure in Softwoods// Wood Sci. Technol.-№ 15 -1981. - P.189-199

18. Зарипов Ш.Г., Ермолин B.H. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке // Лесной журнал.- 2011.- №4. - С. 52-57

19. Defo, М.; Cloutier, A.; Fortin, Y. Modeling vacuum-contact drying of wood: the water potential approach.// Drying Technology.- № 18(8).- 2000.- P. 1737-1778.

20. Audebert, P.; Temmar, A.; Hammoum, F; Basilico, C. Vacuum drying of oak wood: moisture strains and drying process. Drying Technology 1997, 15(9), 2281-2302.

21. Серговский П.С. Расчет продолжительности конвекционной сушки древесины// Деревообр. Пром-ть, 1955.-№8.- С.3-7

22. Лыков А.В. Теория сушки. М. Энергия, 1968.-470 с.

23. Пыльников Н. А.. Сушка древесины / Н. А. Пыльников. — Киев : Будивельник, 1968. — 120 с.

24. Кречетов И. В. Сушка и зашита древесины,- М.: Лесн. промышленность, 1987.- 328 с.

25. Plumb, О. A.; Coury, L.M. Contact drying of wood veneer. //Drying Technology.- 4(3).- 1986-P. 387-413.

26. Мустафин, 3. P. Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии : Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук : 05.17.08 / Мустафин 3. Р.; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. — Иваново, 2008. — 16 с

27. Исаев Н.В., Кочмарев ЛЛО. и др. Вакуумно-кондуктивная сушильная камера с гибкими электронагревателями. // Деревообраб. пром-ть. 1994-С.5-8.

28. URL:http://WWW.BERTOLETTIMAURO.IT

29. Антух А.А., Бохан П.В. и др. Кондуктивные и сорбционные панели для вакуумной сушки древесины. IV Минский интернациональный форум.- 2010 .- С.330-335

30. Сафин Р. Р., Хасаншин Р. Р., Галяветдинов Н. Р., Валиев Ф. Г. Экспериментальные исследования осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях / Изв. вузов. Химия и хим. технол. — № 12. — 2008.— С. 104-106, 128.

31. Романовский С.Г. Процессы термической обработки и сушки в электромагнитных установках/ Минск: Наука и техника.- 1969.-346 с

32. Гареев Ф.Х. Проблемы и перспективы СВЧ сушки древесины// Лесная промышленность.- №1. -2004.- С.50-52

33. Antti A.L., P. Perre. A microwave applicator for on line wood drying: Temperature and moisture distribution in wood.// Wood Science and Technology.- № 33.- 1999.- P. 123-138

34. Нетушил A.B., Жуковицкий Б.Я., Кудин B.H. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. /М., Госэнергоиздат.- 1959.- С.38-154.

35. Апрощенко Л.С. Экспресс- сушка пиломатериалов // Лесной журнал.-№3.- 2006.- С. 6569.

36. Горбачев, Н. М. Экспериментальное исследование высокотемпературной сушки древесины термомеханическим способом / Горбачев Н. М. Кожин В. П. // Инж.-физ. ж.-Т. 82, № 1.- 2009,- С. 69-74.

37. R. Cividini , L. Travan. Microwave heating in vacuum-press drying of timber:practical investigation// 8th International IUFRO Wood Drying Conference. - 2003 - P. 150-155

38. Мачкарин В. А., Москвичёв Д. В., Маслов А. Ф. Сравнительная оценка потребления энергоёмкости процессов тепловой и СВЧ сушки древесины // Международный студенческий форум "Образование, наука, производство", Белгород, 22-24 мая, 2002. Ч. 3 : Сборник тезисов докладов. — Белгород, 2002. — С. 324.

39. Antti A.L., P. Perre. A microwave applicator for on line wood drying: Temperature and moisture distribution in wood.// Wood Science and Technology.- № 33.- 1999.- P. 123-138

40. Poulin A. , Dostie M., Proulx P., Kendall J.. Convective heat and mass transfer and evolution of the moisture distribution in combined convection and radio frequency drying. // Drying Technology.-№ 15(6-8).- 1997.-P. 1893-1907.

41. Vermaas H. F.. High frequency heating of wood // South African Forestry Journal.- № 84(1).-1973.- P. 25-27.

42. A. Koumoutsakos, S. Avramidis, S. G. Hatzikiriakos. Radio frequency vacuum drying of wood : experimental model evaluation. // Drying Technology.- № 19(1).- 2001.- P. 85-98.

43. Xian-Jun Li, Bi-Guang Zhang & Wen-Jun Li. Microwave-Vacuum Drying of Wood: Model Formulation and Verification.// Drying Technology.- № 26.- 2008.- P. 1382-1387.

44. Шутов, С. В. Особенности применения микроволнового излучения в технологии сушки древесины // Пром. теплотехн. - Т. 24; № 5.-2002. - С. 57-58.

45. Тихомолова К.П. Электроосмос.-Л.: Химия, 1989.- 248 с.

46. Кожин В.П. Экспериментальное исследование центробежного обезвоживания и сушки высоковлажной древесины// Материалы междунар. науч. конф. « Центробежная техника -высокие технологии». Минск, 2003. С. 52-57.

47. Кушилин В.В. О ротационном обезвоживании древесины./ Деревообрабатывающая промышленность. -1981 .-№1 .-С. 13-15.

48. Горбачев Н. М., Кожин В. П. Сушка древесины и других пористых материалов методом сброса давления // 3 Международная научно-практическая конференция "Современные энергосберегающие тепловые технологии ": Труды конференции. - Т. 2.- 2008. - С. 191-197

49. Сафин P.P., Голубев Л.Г., Расев А.И. Вакуум-осциллирующая сушка пиломатериалов // Современные энергосберегающие тепловые технологии. -М., 2002. С. 191-193.

50. A. Herritsch, J. Dronfield, and J. J. Nijdam. Intermittent and continuous drying of red beech timber from the green condition.// Drying Technology.- 15(9).- 1997.- P. 2129-2144.

51. Jomaa W., Baixeras O. Discontinuous vacuum drying of oak wood: modeling and experimental investigations.// Drying Technology.- 15(9).- 1997,- P. 2129-2144.

52. http://www.wde-maspell.it

53. Hee-Suk Jung, Chang-Deuk Eom, Bum-Joon So. Comparison of vacuum drying characteristics of radiata pine timber using different heating methods. // Drying Technology.- № 22(5).- 2004.- P. 1005-1022.

54. Brunner R. The choice for the future: Timber Drying by vacuum or by convectional methods? // Central Timber Journal.-№ 58.-1993.

55. Никитин H. И.. Химия древесины и целлюлозы / АН СССР: Институт высокомолекулярных соединений. —1962. — 711 с.

56. Барташевич А. А., Бахар Л. М. Материаловедение: учебное пособие / Ростов-на-Дону : Феникс, 2004. — 352 с.

57. Comstock, G. L. Directional permeability of softwood.// Wood Fiber/- 1970. №1.- P. 283-289

58. Stamm A.J. - Wood and cellulose science .- N.J. The Roland Press Company, 1964.- P. 547

59. Goreshnev M. A., Kazarin A. N., Lopatin у. y., Sekfsov F. G., Smerdov О. V. Combined timber dryinq method // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2013 - Vol. 86 - №. 2. -p. 336-339

60. Горешнев M. А., Казарин A. H., Лопатин В. В., Секисов Ф. Г., Смердов О. В. Комбинированный метод сушки древесины//ИФЖ.-2013 - Т. 86 - № 2 - С. 318-321

61. Горешнев М.А., Лопатин В.В., Секисов Ф.Г., Смердов О.В. Объёмная пропитка и сушка в тепловом и высокочастотном электромагнитных полях древесины берёзы // Известия ВУЗов. Физика.-2012-Т. 55-№6/2- С. 177-182

62. Секисов Ф.Г., Смердов О.В., Ли Хунда Применение электроэнергии при сушке древесины в вакууме //Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: Материалы всероссийской научно-технической конференции - Томск, 12-14 мая 2008. - Томск: ТПУ, 2008. - с. 188-189 (91720599)

63. Смердов О. В. Интенсификация сушки древесных заготовок в поле электрического разряда при пониженном давлении: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук : Спец. 05.21.05 / О. В. Смердов ; Томский политехнический университет; Научно-исследовательский институт высоких напряжений (НИИВН); Науч. рук. Г. М. Кассиров. — Томск : Б.и., 2002. — 22 с. : ил. — Защита сост. 26.12.2002 г.

64. Кассиров Г.М., Секисов Ф.Г., Смердов О.В., Ли Хунда Особенности сушки древесины в поле электрического разряда в вакууме //Изв. Вузов. Физика, 2007 - т. 50, - № 9 (Приложение). -с. 464-466 (40043835)

65. Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. — 2-е изд., перераб. и доп. Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат.- 1983.- 264 с

66. URL:http://esd.nm.ru/svd.htm

67. Perre P. Drying with internal vaporization: Introducing the Concept of Identity Drying Card// Drying Technology/- 1995.-№13.- P. 1077-1097

68. M.A. Горешнев, И.В. Шишков. Динамика изменения внутреннего избыточного давления при вакуумной сушке древесины // Современные техника и технологии: сборник трудов XVIII международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 9-13 апреля 2012 г. / НИ ТПУ.- 2012.- Т.З. - С. 175-176

69. Литвишко Е.С., Горешнев М.А. Система непрерывного измерения температуры под действием высоковольтного напряженияII XIX международная уаучно - практическая конференция студентов и молодых ученых СТТ-2013.- Томск

70. Платунов Е. С., Буравой С. Е., Курепин В. В., Петров Г. С. Теплофизические измерения и приборы /Л.: Машиностроение.- 1986. - 255 с.

71. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки.- М. - Л.: Госэнергоиздат, 1956.464 с.

72. Казанский В.М. К теории новых кинетических методов измерения массопреносных свойств дисперсных тел.- ИФЖ, 1976 . - Т 30 .- №5.- С. 817-823

73. Горешнев M.А. Определение коэффициента парообразования при вакуумной сушке пористых материалов// XIX международная уаучно — практическая конференция студентов и молодых ученых СТТ-2013.- Томск

74. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с.

75. Ф.Г. Секисов, О.В. Смердов, А.Н. Казарин, и др. Объёмная пропитка древесины берёзы. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. №1.С. 158-164.

76. Пат. 2243886 Р. Ф. Способ пропитки древесины/ Секисов Ф.Г., Смердов О.В., Банных Е.Н..;; опубл. 10.01.2005.

77. Горешнев М.А., Лопатин В.В., Секисов Ф.Г., Смердов О.В. Закономерности сушки древесины комбинированным методом при пониженном давлении// XIV Минский международный форум по тепломассообмену. - Минск.- С. 462-466

78. Никитина Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах / — М. : Энергия, 1968. — 500 с.

79. Чулицкий Н.Н. Исследование водопроводности и водопоглащаемости древесины различных пород. Науч. Тр. ЦАГИ . 1932. № 122. С. 23.

80. Ребиндер П.А. О формах связи влаги с материалами в процессе сушки.- Всесоюзное научно-техн. Совещание по сушке.-М.: 1958. - С. 20-23

81. Гамаюнов Н.И. Осмотический массоперенос: моногр./ Тверь: ТГТУ.- 2007. - 228 с.

82. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины./ М.: Лесная промышленность.- 1990.

83. Г. С. Ковригин/ Газопроницаемость древесины березы и осины / Институт леса и древесины им. В. Н. Сукачева СО АН СССР. Конференция молодых ученых (Ш-я; 1971 Март) // Изучение природы лесов Сибири. - Красноярск, 1972. - С. 297 - 303.

84. Оснач Н. А. Проницаемость и проводимость древесины/Н. А. Оснач. - 1964

85. Лыков А.В. О системах дифференциальных уравнений тепломассопереноса в капиллярно пористых телах // ИФЖ. - 1974.- T. XXVI.-№1. - С. 18-25

86. Elustondo Diego, Avramidis Stavros. Stochastic numerical model for radio frequency vacuum drying of timbers. // Drying Technology.- № 20(9).- 2002.- P. 1827-1842. A.

87. Elustondo D. , Oliveira L., Avramidis S. Evaluation of three semi-empirical models for superheated steam vacuum drying of timbers.// Drying Technology.- № 21(5).- 2003.- P. 875-893.

88. Defo, M.; Cloutier, A.; Fortin, Y. Modeling vacuum-contact drying of wood: the water potential approach.// Drying Technology.- № 18(8).- 2000.- P. 1737-1778.

89. Defo M., Fortin Y., Cloutier A.. Modeling superheated steam vacuum drying of wood. // Drying Technology.- № 22(10).- 2004.- P. 2231-2253.

90. Zhang Y., Cai L.. Modeling and microscopic analysis of vaporization during high-temperature drying of sub-alpine fir.// Drying Technology.-№ 29.- 2011.- P. 1179-1185.

91. Mounji H., Kouali M. EI, Bouzon J., Vergnaud J.M.. Modelling of the drying process of wood in 3-dimensions.//Drying Technology.-№ 9(5).- 1991.-P. 1295-1314

92. Koumoutsakos, Avramidis S., Hatzikiriakos S. G.. Radio frequency vacuum drying of wood : mathematical model.// Drying Technology.- № 19(1).- 2001.- P. 65-84.

93. Гороховский А.Г. Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизация процессов тепломассопереноса в древесине: Дис. ... докт.физ.-мат.наук, Челябинск, 2008. - 162с.

94. Юнусов JI. Р. Исследование процессов конвективного тепломассопереноса в условиях вакуумно-конвективных сушильных камер: Дис. ...канд.тех.наук, Иваново, 2008. — 120с.

95. Голубева А.А. Стандартная программа численного решенеия краевой задачи Стефана для одномерных параболических уравнений разностным методом с «дробным шагом по х и t» -В кн. : Методы решения краевых и обратных задач телпопроводности.-М.:1975.- С. 38-56.

96. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В. Основы технической теплофизики. / Монография. М.: Издательство машиностроение-1.- 2004.-172 с.

97. Поршнев, С. В. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием пакета MathCad : учебное пособие / С. В. Поршнев. — М. : Горячая линия-Телеком, 2002. — 252 с

98. Каганов, Вильям Ильич. Компьютерные вычисления в средах Excel и Mathcad / В. И. Каганов. — М. : Горячая линия-Телеком, 2003. — 328 с. : ил. — ISBN 5-93517-110-4.

99. Лыков А. В. Теория сушки: учебник для втузов / М.: Энергия.- 1968.

Директор Коряка В.И. ООО Сибфактория « »_20131.

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Горешнева М.А.

Настоящий акт составлен в том, что в ООО Сибфактория при отделке жилых квартир в деревянных домах используются изделия из модифицированной древесины березы и сосны (окна, двери, плинтусы, опанелка, половой настил, лестницы и др.), подготовленной по технолопш, основанной на применении результатов диссертационной работы Горешнева М А.

В дальнейшем планируется создание производственною цеха объемной пропитки и комбинированной сушки древесины на основе технологий, предложенных ТПУ

Исх. № !С-

от « бчГ» /I_20]^г.

АКТ

использования результатов диссертационной работы Горешнева М.А.

Изготовленная мебель из модифицированной древесины березы, подготовленной по технологии, основанной на применении результатов диссертационной работы Горешнева М.А., обладает высокими эксплуатационными и эстетическими свойствами. Применение комбинированного метода сушки повысило прочностные свойства, снизило до минимума остаточные внутренние механические напряжения и образование трещин..