Совершенствование технологии сушки листвинничных пиломатериалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, доктор наук Зарипов Шакур Гаянович

• Зарипов Шакур Гаянович
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Зарипов Шакур Гаянович

Введение

1 Состояние проблемы и задачи исследования

1.1 Сведения о строении древесины лиственницы, имеющие значение при сушке

1.2 Эффективность технологии сушки лиственничных пиломатериалов

1.3 Перенос влаги в древесине лиственницы при сушке

1.4 О режимах сушки лиственничных пиломатериалов

1.5 О методах измерения влагосодержания древесины в исследовательской деятельности

1.6 Выводы по первой главе

2 Анализ явлений массопереноса в лиственничных пиломатериалах при сушке

2.1 Движущая сила переноса влаги в древесине лиственницы при

45

конвективной сушке

2.2 Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами

2.3 Трансформация проницаемости древесины лиственницы при сушке низкотемпературными режимами

2.4 Перенос водного раствора экстрактивных веществ через межклеточную мембрану древесины лиственницы

2.5 Выводы по второй главе

3 Исследование особенности процесса сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами

3.1 Избыточное давление в лиственничных пиломатериалов при сушке

3.2 Экспериментальное изучение полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке

3.3 Факторный анализ кинетики сушки лиственничных пиломатериалов

3.4 Выводы по 3-й главе

4 Технологические основы конвективной сушки лиственничных пиломатериалов

4.1 Влияние структуры низкотемпературных режимов сушки лиственничных пиломатериалов на интенсивность удаления воды

4.2 Совершенствование технологии проведения начального прогрева лиственничных пиломатериалов

4.3 Эффективность мероприятий по снижению перепада влагосодержания по сечению доски в процессе сушки лиственничных пиломатериалов

4.4 Эффективность мероприятий, направленных на выравнивание влагосодержания в пиломатериалах на завершающей стадии сушки

4.5 Технология поддержания в сушильной камере степени насыщенности воздуха при сушке лиственничных пиломатериалов

4.6 Промышленный эксперимент по проверке эффективности предлагаемых режимов сушки лиственничных пиломатериалов

4.7 Качество сушки лиственничных пиломатериалов после сушки предлагаемыми режимами

4.8 Выводы по 4-й главе

5 Расчёт экономической эффективности предлагаемых мероприятий

5.1 Расчёт энергетических затрат при сушке лиственничных

пиломатериалов на испарение воды с поверхности досок

5.2 Расчёт экономии тепловых затрат, направленных на поддержание режимных показателей при сушке лиственничных пиломатериалов

5.3 Коэффициент экономической эффективности предлагаемых мероприятий при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов

5.4 Выводы по 5-й главе

Заключение

Библиографический список

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение

Актуальность темы. В Российской Федерации сосредоточены значительные запасы лиственницы сибирской. Её запасы составляют более одной трети общего

3

объема древесины (около 28 млрд. м из примерно 82 млрд. м ). Основные насаждения находятся в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Данная порода древесины обладает уникальными природными характеристиками: повышенной прочностью на истирание, стойкостью к гниению и др. При относительно невысокой цене лиственница выгодно отличается от других пород древесины.

В то же время использование её в производстве изделий ограничено. Одна из причин - несовершенная технология сушки пиломатериалов: длительность процесса сушки лиственничных пиломатериалов превышает в 2,5 - 3 раза аналогичный показатель по сосновым сортиментам. Поэтому сушка лиственничных пиломатериалов является более энергоёмким процессом по сравнению с сушкой сосновых пиломатериалов. Одна из основных проблем является то, что закономерности сушки древесины лиственницы, в отличии от других пород, во многом не согласуются с «классическими» представлениями (А. В. Лыков, П. С. Серговский).

Имеющиеся в специальной литературе данные о процессах массопереноса при пропитке заготовок из древесины лиственницы указывают на закрытость проводящей системы. В то же время современная технология конвективной сушки пиломатериалов из древесины лиственницы основывается на том, что влагопроводящая система является открытой (Б. С. Чудинов, Ф. Т. Тюриков, П. Е. Зубань).

При организации процесса сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами не учитывается факт образования в центре доски избыточного давления, т.е. не учитывают особенности строения данной породы древесины. В результате чего разработанные отечественные и

зарубежные режимы сушки не в состоянии обеспечить высокое качество сушки лиственничных пиломатериалов, так как.

Обращают на себя внимание явления, которые сопровождают низкотемпературный процесс сушки < 1000С) лиственничных пиломатериалов, в том числе такие как образование на поверхности слоя, состоящего из экстрактивных веществ. Природа происхождения указанного слоя, а также степень его влияния на процесс влагопереноса в настоящее время не изучены. По нашим данным площадь покрытия поверхности лиственничных досок таким слоем достигает 60%.

Имеющиеся сведения о механизме влагопереноса в лиственничных пиломатериалах при сушке являются неполными, и не позволяют выстраивать эффективный процесс сушки. Поэтому проблема совершенствования технологии сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами является актуальной.

Степень научной разработанности проблемы: Диссертационное исследование базируется на методологических и теоретических положениях, разработанных российскими и зарубежными учёными.

Научная основа процессов сушки пиломатериалов, включая лиственничные, базируется на термодинамической аналогии, основные положения которой изложены в фундаментальных трудах академика А. В. Лыкова.

М. Ю. Лурье, И. В. Кречетов, П. В. Соколов, Н. Н. Гей, А. К. Пухов, П. В. Билей внесли существенный вклад в изучение вопроса тепловлагообмена на поверхности доски. В работах проф. П. С. Серговского и его последователей раскрыт механизм внутреннего переноса тепла и влаги в древесине при сушке, который позволил установить значение коэффициента влагопроводности. В работах проф. Г. С. Шубина проанализировано влияние градиента температур по сечению доски, что дало возможность определить термоградиентный коэффициент древесины.

Полученные результаты позволили разработать типовую методику расчетов продолжительности сушки пиломатериалов и заготовок, вошедшую в РТМ камерной сушки древесины.

Разработкой режимов сушки пиломатериалов в разные годы занималось большое количество учёных как отечественных, так и зарубежных: П. С. Серговский, Б. С. Шубин, И. В. Кречетов, Л. Н. Кротов, А. Г. Гороховский, С. И. Акишенков, И. В. Куликов, Н. В. Дзыга, F. Kollman, T. Maki, A.J. Stamm, K. Egner и др.

Изучению проблем образования внутренних напряжений и связанных с ними различного вида трещин в древесине при сушке посвящены исследования проф. Б. Н. Уголева и его учеников, проф. В. Н. Глухих и др.

Не смотря на значительное количество научных трудов в указанной предметной области, остаются нерешенными и дискуссионно важными теоретически, методологически и методически вопросы, связанные с разработкой рациональных режимов лиственничных пиломатериалов при конвективном низкотемпературном процессе.

Цель работы: повысить эффективность технологии конвективной сушки лиственничных пиломатериалов.

На основании анализа научных публикаций, а также проведённых поисковых экспериментов сформулированы задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

- проанализировать особенности технологии сушки лиственничных пиломатериалов;

- исследовать механизм вывода воды из древесины лиственницы при сушке низкотемпературными режимами;

- разработать физическую модель обезвоживания лиственничных пиломатериалов при сушке низкотемпературными режимами;

- разработать низкотемпературные режимы сушки лиственничных пиломатериалов;

- провести факторный анализ процесса сушки лиственничных пиломатериалов;

- провести экспериментальную проверку разработанных низкотемпературных режимов сушки в промышленных условиях;

- оценить экономическую эффективность предлагаемых в диссертации рекомендаций.

Объект исследований - лиственничные пиломатериалы, проходящие в технологическом процессе камерную сушку низкотемпературными режимами.

Предмет исследований - влияние особенностей строения и компонентного состава древесины лиственницы на эффективность камерной сушки лиственничных пиломатериалов при низкотемпературном процессе.

Научную новизну составляют:

- экспериментальное доказательство образования парогазовой смеси сложного химического состава при сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами;

- перераспределение экстрактивных веществ в процессе конвективной сушки низкотемпературными режимами из центра на поверхность лиственничных сортиментов;

- механизм возникновения избыточного давления в центре лиственничных сортиментов при сушке низкотемпературными режимами, образующегося за счёт образования парогазовой смеси;

- теоретическое и экспериментальное обоснование зависимости влагопроницаемости древесины лиственницы от физического состояния экстрактивных веществ в поверхностных слоях доски при конвективной сушке;

- доказательство того, что интенсивность массопереноса в древесине лиственницы подчиняется общим законам микрофильтрации;

- теоретическое и экспериментальное доказательство возможности регулирования возникновения полимерного слоя, замедляющего интенсивность высыхания в процессе технологического воздействия;

- экспериментальное обоснование зависимости распределения влагосодержания по сечению доски, а также удельной скорости сушки от геометрических характеристик сортиментов и технологических факторов.

Вклад в теорию и практику:

- изучен механизм образования избыточного давления в центре лиственничных сортиментов при сушке низкотемпературными режимами;

- доказано, что массоперенос в древесине лиственницы при сушке низкотемпературными режимами происходит по действием избыточного давления;

- изучен механизм образования слоя экстрактивных веществ при сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами;

- доказано, что процесс массопереноса при сушке лиственничных сортиментов низкотемпературными режимами описывается общими закономерностями микрофильтрации;

- экспериментально доказана более высокая эффективность разработанных режимов сушки по сравнению с ГОСТ 19773-84 «Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия»;

- разработанные режимы сушки максимально снижают негативное воздействие экстрактивных веществ на продолжительность процесса сушки лиственничных пиломатериалов;

- доказана возможность осуществления процесса сушки лиственничных пиломатериалов при повышенных значениях относительной влажности воздуха;

- обоснован механизм снижения удельной скорости сушки лиственничных пиломатериалов по сравнению с сосновыми.

Основные научные гипотезы и результаты, выносимые на защиту:

- основной движущей силой массопереноса при низкотемпературном процессе сушки древесины лиственницы является избыточное давление в центре доски;

- механизм возникновения избыточного давления в древесине лиственницы при сушке низкотемпературными режимами;

- возможность применения уравнения массопереноса при микрофильтрации с образованием пермеата для описания интенсивности удаления воды из древесины лиственницы при конвективной сушке;

- режимы сушки лиственничных пиломатериалов в сушильных камерах периодического действия;

- экономическая целесообразность начала процесса камерной сушки лиственничных пиломатериалов при 1с = 440С.

Методология и методы исследования.

В основе изучения влияния свойств древесины лиственницы на эффективность технологии сушки использовался системный метод ведения исследований. Данный метод использовался для обоснования в качестве основного фактора переноса воды при сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами градиента давления.

Факторный анализ, проведённый в работе, позволил выявить многообразие типов связей древесины лиственницы, и свести их в единую теорию, применение которой позволяет повысить эффективность технологии сушки лиственничных пиломатериалов.

При проведении экспериментальных исследований на специально созданных сушильных установках в диссертации использовались стандартные и специально разработанные методы.

Отбор парогазовой смеси при сушке осуществлялся на специальной сушильной установке. Химический анализ полученной парогазовой смеси проведён методом Я^-спектроскопии.

Основу изучения переноса экстрактивных веществ в лиственничных пиломатериалах при сушке низкотемпературными режимами составил стандартный метод определения количества экстрагируемых веществ.

Давления в центре досок измерялось преобразователем избыточного давления ПД 100-Ди-0,5, температура в сушильной камере в центре и на поверхности сортимента - термопреобразователем сопротивления ДТС (модели ХХ4, ХХ5). Полученные данные обрабатывались измерителем-регулятором ТРМ

Обоснованность и достоверность.

Полученные результаты, рекомендации, и выводы диссертационного исследования базируются на использовании современной методологии научных исследований, подтверждается адекватностью разработанных моделей, статистической значимостью результатов, полученных с применением методов математической статистики, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует пункту 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины.» паспорта специальности 05.21.05 Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии сушки листвинничных пиломатериалов»

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались: на НТК «Проблемы химико-лесного комплекса» (г. Красноярск, 1997 - 1999 г.г.), на НПК «Лесной комплекс - проблемы и решения» (г. Красноярск, 1999 - 2000 г.г.), на НТК «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2001 г.), на МНТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2005 г.), на НТК «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (г. Красноярск, 2001 - 2002 г.г.), на НПК «Лесной и химический комплексы -проблемы и решения» (г. Красноярск, 2005 г.), на МНТК «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2007, 2009, 2011, 2012 г.г.), на VIII Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (г. Екатеринбург, 2013), на НПК «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (г. Красноярск, 2015 г.).

1 Состояние проблемы и задачи исследования

В начале XXI века лиственница сибирская стала пользоваться повышенным спросом у производителей изделий из древесины. Такое внимание к данной породе древесины совершенно не случайно, она обладает уникальными свойствами - цветом, текстурой, а также механическими свойствами, которые выгодно отличают данную породу от других.

1.1 Сведения о строении древесины лиственницы, имеющие значение при

сушке

Лиственница сибирская (Larix siЫrica) относится к классу хвойных (Pinopsida), семейству сосновых (Pinaceae). Является почвоулучшающей породой. На лесосеках и гарях выступает в роли растения-пионера. Размножается только семенами. Продолжительность жизни до 300 - 400 лет, иногда доживает до 900 лет. Лиственница сибирская занимает огромный ареал, охватывающий Среднюю и Западную Сибирь, от южных границ РФ до лесотундры, в горы поднимается до высоты 2000-2450 м.

Древесина лиственницы имеет ядро красновато-бурого цвета (рисунок 1.1), объём которого составляет (70 ... 75) % от стволовой части. Наблюдается резкое разграничение между ядровой и заболонной древесиной. С движением от комля к вершине удельный объем ядровой древесины в общей массе уменьшается [23].

На всех разрезах хорошо различаются годичные слои (рисунок 1.2) с чёткой внутренней границей между ранней и поздней древесиной. Ширина годичного слоя обычно находится в пределах 1 - 3 мм и зависит от возраста дерева, различных условий питания, климата, освещенности. С увеличением возраста дерева ширина годичных слоев уменьшается. Содержание ранней и поздней древесины годичного слоя лиственницы меняется как в различных деревьях, так и в пределах одного дерева. Это соотношение колеблется от (10 ... 13)% до (40 ... 47) % и составляет, в среднем, (30 ... 35) % [27].

Рисунок 1.1 - Образец лиственничный

Рисунок 1.2 - Разрезы ствола лиственницы: торцовый (а), тангенциальный (б) и радиальный (в)

Изучение строения древесины лиственницы под микроскопом позволяет выделить различные клетки, скрепленные между собой межклеточным веществом. Это трахеиды, сердцевинные лучи, клетки древесной паренхимы, смоляные ходы и выстилающие клетки.

Трахеиды составляют 90 % и более от объема древесины, представляют собой сосудообразные клетки, удлиненные и заостренные на концах. Трахеиды располагаются вдоль ствола дерева [170] и выполняют как водопроводящие, так и механические функции, образуя ячеистый каркас, противодействующий внешним механическим нагрузкам.

Весной формируются широкие трахеиды с тонкими стенками, образующие раннюю древесину; к осени усиливается формирование сплющенных в поперечном направлении трахеид с утолщенными в радиальном направлении стенками.

Форма трахеид, составляющих раннюю и позднюю древесину, различна (рисунок 1.3) [116]. Ранние трахеиды тонкостенны и в поперечном сечении имеют вид прямоугольников, значительно вытянутых в радиальном направлении. Поздние трахеиды округлы и несколько вытянуты в тангенциальном направлении. Диаметры поздних и ранних трахеид в тангенциальном направлении практически одинаковы. Проведенные замеры более 900 трахеид показали, что в поздней древесине лиственницы в тангенциальном направлении протяженность оболочек (древесного вещества) составляет 49,6%, а в радиальном направлении -62,3%. В ранней древесине протяженность оболочек составляет соответственно 20,2 и 13,3% [23].

Рисунок 1.3 - Поперечные разрезы древесины: а - лиственницы; б - сосны; в - ели [116]

Площадь сечения трахеид из ранней зоны годичного слоя составляет 1752 мкм2, из поздней - 614 мкм2; площадь полостей соответственно 1236 мкм2 и 125 мкм2; площадь оболочек - 527 мкм2 и 492 мкм2. Периметр ранних трахеид составляет 166 мкм, поздних - 99 мкм, диаметр в радиальном направлении ранних и поздних трахеид, соответственно, 52 мкм и 22 мкм. Длина трахеид находится в пределах 2,5 - 2,7 мм. Поверхностная пористость трахеид ранней древесины -66 %, поздней - 21 %, толщина оболочки соответственно 3,3 и 6,6 мкм [27]. В

1 см ранней древесины лиственницы при ее наибольшем насыщении размещается около 0,638 г, а в поздней - 0,509 г воды.

Сердцевинные лучи состоят из радиально вытянутых паренхимных клеток. Удельный вес их в общей массе составляет для лиственницы (8,8 ... 10) %, что значительно больше, чем для сосны и ели (соответственно 4,7 и 5,5 %).

Смоляные ходы (рисунок 1.4) у лиственницы (вертикальные и горизонтальные) образуют единую капиллярную систему. Капиллярная система в ядровой древесине заполняется выстилающими клетками. На единицу площади поперечного среза древесины общая площадь всех смоляных ходов составляет не более 0,5%.

Рисунок 1.4 - Поперечный разрез смоляного хода древесины лиственницы

Таким образом, трахеиды в совокупности с сердцевинными лучами формируют пористость древесины. Объемная пористость древесины лиственницы во влажном состоянии составляет от 63,6 до 68,2% (в среднем, 65,9%) [170]. Объемная пористость древесины лиственницы определена В.Е. Вихровым [27] отдельно для ранней древесины - 75,3% и поздней - 46,7%.

В работе [170] предложено рассматривать 2 вида пористости древесины: открытой и закрытой. Открытая - в виде каналов и капилляров, соединенных между собой, закрытая - в виде изолированных друг от друга пор. Авторами древесина лиственницы рассматривается в виде системы открытых пор. Такой подход объясняется тем, что в клеточных оболочках отдельных клеток имеются поры, а также макро- и микрокапилляры, обеспечивающие сообщение между клетками, что даёт возможность осуществлять движение жидкостей и газов под

действием перепада давления (фильтрация). При закрытой пористости фильтрация жидкостей и газов была бы невозможна.

Предполагается, что сообщение между клетками обеспечивается через мембраны, которые расположены в окаймлённых порах (рисунок 1.5). Окаймленная пора (пара пор) на поперечном и тангенциальном разрезах древесины имеет форму двух направленных друг к другу двухлучевых вилочек, разделенных посередине замыкающей пору пленкой (оставшаяся неутолщенной часть первичной стенки).

Рисунок 1.5 - Общий вид окаймлённой поры древесины: 1 - отверстие поры (porus); 2 - мембрана поры (margo); 3 - диск (torus) [115]

В древесине лиственницы преобладают капилляры, диаметры которых находятся в пределах от 0,2 мк до 0,5 мм [170]. Относительно небольшой объем пор в древесине лиственницы составляют трахеиды, внутренние диаметры которых менее 0,2 мк. Авторы указывают, что наличие системы открытых микрокапилляр различного диаметра предопределяет существование капиллярных явлений, которые характеризуются силами поверхностного натяжения.

Кроме пористости объёмной для древесины лиственницы, как и для других пород, характерна поверхностная пористость, которая определяется отношением площади, занимаемой порами, ко всей площади поперечного среза древесины. Данный показатель в древесине лиственницы существенно отличается в зонах

ранней и поздней древесины: поверхностная пористость ранней в 2,8 ... 3 раза выше, чем у поздней древесины [25].

К категории малоизученных вопросов следует отнести влияние химического состава древесины лиственницы на процессы влагопереноса при сушке. При этом влияние химического состава на сушку лиственничных пиломатериалов очевидно. Данной проблеме в настоящей работе будет уделено значительное внимание.

Древесина лиственницы состоит из 50 % углерода, 6,3 % водорода и 43,7 % кислорода и азота. Основная масса древесины лиственницы - целлюлоза (составляет (35 ... 50) %) и лигнин ((20 ... 30) %). Гемицеллюлозы (пентозаны и гексозаны) составляют 10 % и более. Значительный объём в древесине лиственницы занимают водорастворимые вещества ((4,5 ... 30) %) [29]. Главную часть их составляет легко извлекаемый из древесины горячей водой полисахарид — арабогалактан, обладающий клеящими свойствами. Содержание его в древесине колеблется в широких пределах. Основная масса арабогалактана содержится в периферийной части ядра лиственницы, где количество водорастворимых веществ доходит до 30 %. В заболони он встречается в количестве 1-2 % [8], [31], [89]. Содержится также некоторое количество веществ, растворимых в эфире, спирте.

Танниды (дубильные вещества) имеются в древесине лиственницы в значительном количестве. Они не входят в клеточную структуру древесины, а являются содержимым клеток. Более всего таннидов (по различным данным до 14-17 %) находится в коре лиственницы. В растущем дереве лиственницы танниды играют защитную роль, предохраняя её от поражений грибами и насекомыми.

Химический состав древесины лиственницы свидетельствует о том, что поступающее в деревообрабатывающие производства сырье, заготовляемое в спелых и перестойных насаждениях, имеет ядровой древесины в общей массе до 80-88 %, заболонной - 12-20 %, средняя ширина годичного слоя - 0,8 - 0,9 мм,

содержание целлюлозы - около 40 %, лигнина - 25-26 %, водорастворимых веществ - 15-17 % [23].

Смола в древесине лиственницы играет защитную роль, не входит в состав ее клеточной оболочки, а содержится в смоляных ходах (рисунок 1.4). Содержание смолы колеблется в широких пределах, особенно много ее в комлевой части. На 1 м свежей заболони приходится в среднем смолы, кг: у сосны - 21,1, у лиственницы - 18,3, у ели - 9,4, у пихты - 3,2. Имеются данные, что в смолистых выделениях из пораженной древесины лиственницы содержится ларицирезинол -вещество, повышающее ее биостойкость.

При обработке лиственничных пиломатериалов большое значение имеет наличие и распространение различных смоловместилищ. Встречаются смоляные кармашки (рисунок 1.6) и метиковые трещины, заполненные некристаллизующейся живицей.

Рисунок 1.6 - Смоляной кармашек древесины лиственницы

Распределение смоляных кармашков (рисунок 1.6) по поперечному сечению среза ствола неравномерное. Они могут располагаться близко к периферии и при снятии коры видны в виде вздутий. Основная масса кармашков расположена в пределах 2 см от камбиального слоя. Здесь их количество составляет 68 %, то есть в пределах заболонного кольца их расположено большинство. На глубине 2-4 см от поверхности встречается 19,3 % от общего количества смоляных кармашков, на глубине 4-6 см - 4,9 %; 6-8 см - 2,4 %; 8-10 см - 1,7 %. С дальнейшим движением к оси бревна количество смоляных кармашков продолжает уменьшаться и составляет на двухсантиметровых участках лишь доли процента [23].

Древесина лиственницы относится к породам, в которой вода распределяется неравномерно как по диаметру ствола, так и по его высоте. У основания ствола влагосодержание заболони составляет 90 - 110 %; на периферии ядра - 40% с постепенным повышением процента по направлению к сердцевинной трубке, где оно увеличивается до 50%. На половине высоты ствола влагосодержание заболони - 110-120 %, в ядре достигает 60 % [170]. В среднем влагосодержание ядра колеблется на уровне 50%, а влагосодержание в заболони -около 110%.

Анализ по вопросу влагосодержания в древесине лиственницы, который приведён в источнике [170] указывает на то, что максимальное влагосодержание может быть определено исходя из условия заполнения всех имеющихся в древесине пор водой. В результате, теоретически максимальное количество воды составляет Жтах = (114 ... 139) %. Практически, по данным В. П. Левченко ^ = (50 ... 63) % [91], С. И. Ванина - (100 ... 120) %.

Вывод, который следует из анализа, указывает на то, что практически древесина лиственницы никогда не достигает теоретически максимального влагосодержания даже после длительного пребывания под водой, так как имеющийся в макро- и микрокапиллярах древесины воздух не может быть полностью растворен в воде и удален из древесины. Поэтому незначительная часть пор остается все-таки не заполненной водой [170].

Одним из ключевых вопросов при изучении процессов сушки является такой показатель, как влагопроводностъ древесины лиственницы. Под влагопроводностью понимается способность древесины пропускать сквозь себя воду. Влагопроводность древесины зависит от многих факторов, особенно от породы [170]. Лиственница относится к ядровым породам. Поэтому наблюдается большое различие влагопроводности ядровой и заболонной частей.

Особенно низкая влагопроводность наблюдается в ядровой зоне древесины лиственницы. Данный эффект объясняется анатомическими и химическими изменениями, происходящими в лиственнице при превращении заболони в ядро, которые затрудняют прохождение жидкостей и газов сквозь древесину [170].

Имеющиеся в литературе данные [170] по коэффициенту влагопроводности древесины лиственницы при среднем влагосодержании 14% указывают на то, что данный показатель значительно меньше, чем у древесины сосны (рисунок 1.7).

20 4/7 60

Температура, °С

Рисунок 1.7 - Коэффициент влагопроводности древесины лиственницы сибирской и сосны [170]

Из графика видно, что с повышением температуры древесины коэффициент влагопроводности увеличивается. На этом же графике для сравнения приведена кривая влагопроводности для сосны по П. С. Серговскому [131]. В работе [170] отмечается, что с увеличением температуры различие в значениях коэффициентов влагопроводности для сосны и лиственницы сглаживается. Данное явление объясняется размягчением смолы и освобождением влагопроводящих каналов в древесине.

Основные эмпирические выражения для определения средних значений коэффициентов влагопроводности древесины в тангенциальном направлении (средние по влажности) [173]: для древесины ядра

а'=0,235 -10'31 ■Т10 -ро3'3, (1.1)

для древесины заболони и древесины заболонных пород безотносительно к местоположению в стволе дерева

а'=0,235-10'31-Т10р0'3'9, (1.2)

где Т - температура.

А. Г. Гороховским [43] предложена система уравнений регрессии, где устанавливается зависимость коэффициента влагопроводности применительно к конкретной породе в зависимости от влажности. Для лиственницы уравнение регрессии имеет вид:

ат =-3,362-105 + 2,43-10 7Ж4 -3,786-10-5Ж + 1,429-10-3Ж + 0,013Ж + 0,146. (1.3)

Из вышеприведённого материала видно, что коэффициент влагопроводности древесины лиственницы намного ниже по сравнению с сосной при прочих равных условиях. Основное объяснение низкому значению коэффициента влагопроводности древесины лиственницы - наличие смолы, а также повышенная плотность древесины.

1.2 Эффективность технологии сушки лиственничных пиломатериалов

Эффективность - это результат, деленный на затраты [140]. Применяемая в настоящее время методика определения эффективности технологии сушки сводится к определению рациональности режимов сушки [132] по трём критериям: жёсткости; эффективности; безопасности.

Критерий жесткости характеризует интенсивность испарения влаги в воздухе (или в другом сушильном агенте) данного состояния. Более жестким, по сравнению с другими, считается режим, обеспечивающий повышенную интенсивность испарения влаги. Жесткость режима определяется параметрами

сушильного агента и влагосодержанием материала, поскольку при одинаковом состоянии среды интенсивность испарения уменьшается с понижением содержания воды в древесине.

Из двух режимов с одинаковой степенью насыщенности р, применяемых для одинакового (по влагосодержанию) материала, более жестким будет режим с повышенной температурой. При одинаковой температуре более жестким будет режим с пониженной величиной р. Если сравниваются режимы с различными ? и р, показателем их жесткости может служить психрометрическая разность (? - М [132].

Критерий эффективности характеризуется продолжительностью сушки определенного материала при заданном режиме. Эффективность одного режима по сравнению с другим оценивается отношением длительности процессов т1/ т2.

Критерий безопасности определяет, насколько данный режим безопасен для древесины, т. е. насколько он предохраняет ее от разрушения под действием внутренних напряжений. Величина этого критерия оценивается отношением предела прочности древесины к максимальным напряжениям в ней:

Б=аи/атах. (1.4)

Если критерий Б больше 1,0 - режим безопасен, если Б < 1,0 - древесина будет растрескиваться.

Рекомендуемые критерии оценки режимов - правильные по форме -критерий жёсткости учитывает внешний влагообмен, критерии эффективности и безопасности устанавливают влияние внутренних процессов: критерий эффективности - влагоперенос, критерий безопасности - внутренние напряжения.

Однако на практике применить указанные критерии не представляется возможным.

Это связано с тем, что для их применения в настоящее время не создан инструментарий измерения действия структуры режима, который более точно

учитывал бы основные процессы, происходящие в самой древесине лиственницы как объекта сушки. При этом каждая технологическая операция, которая используется при сушке пиломатериалов, может быть оценена в денежном выражении.

Поэтому целесообразно рассматривать эффективность режимов сушки лиственничных пиломатериалов в виде такого обобщённого показателя, как отношение прибыли, получаемой при реализации высушенных досок, к текущим затратам на тепловую и электрическую энергию (коэффициент эффективности [140]):

(1.5)

где Я - эффективность применяемого режима сушки;

-5

ПР1 - прибыль от реализации 1 м высушенной продукции;

3

СЭ - стоимость энергетических затрат на сушку 1 м пиломатериалов.

1.3 Перенос влаги в древесине лиственницы при сушке

Научная основа процессов сушки пиломатериалов, включая лиственничные, базируется на термодинамической аналогии, основные положения которой изложены в фундаментальных трудах академика А. В. Лыкова [94], [95].

Следует отметить значительный вклад М. Ю. Лурье, И. В. Кречетова, П. В. Соколова, Н. Н. Гей, А. К. Пухова, П. В. Билея в изучение такого вопроса, как тепловлагообмен на поверхности доски. В работах проф. П. С. Серговского и его учеников раскрыт механизм внутреннего переноса тепла и влаги в древесине при сушке, что позволило установить значение такого параметра как коэффициент влагопроводности. В работах проф. Г. С. Шубина проанализировано влияние градиента температур по сечению доски, что дало возможность определить термоградиентный коэффициент древесины.

Полученные результаты позволили разработать типовую методику расчетов продолжительности сушки пиломатериалов и заготовок, вошедшую в РТМ камерной сушки древесины [126].

Разработкой режимов сушки пиломатериалов в различные годы занималось большое количество как отечественных, так и зарубежных учёных: П. С. Серговский, Б. С. Шубин, И. В. Кречетов, Л. Н. Кротов, А. Г. Гороховский, С. И. Акишенков, И. В. Куликов, Н. В. Дзыга, F. Kollman, T. Maki, A.J. Stamm, K. Egner и др.

При изучении механизма переноса воды при сушке древесина представляется в виде открытой системы пор различного диаметра - капилляры клеточных оболочек (г<10-5см) и макрокапилляры полостей клеток (г>10-5см) [173]. При этом капилляры клеточных оболочек принято относить к переменным, так как их размер зависит от количества связанной влаги, а размеры макрокапилляров полостей клеток остаются постоянными при изменении в них влагосодержания [169].

Открытость системы пор предопределяет тесную взаимосвязь между внешним и внутренним переносом тепла и влаги, наличие нестационарных полей температур и скоростей в обрабатывающей среде (сушильном агенте), нестационарных полей температуры и влагосодержания внутри материала. В этих условиях любое изменение температуры и относительной влажности агента сушки оказывает значительное влияние на температурные и влажностные поля в центре доски.

При этом в периферийной зоне доски температура выше по сравнению с температурой в центре доски, а влагосодержание - ниже. Поэтому наличие температурного градиента внутри материала вызывает поток жидкой и парообразной влаги за счет термодиффузии по направлению потока тепла к центру сортимента, а также перепад влагосодержания от центра доски к периферии. При этих условиях перенос влаги рассматривается как диффузионный, движущей силой здесь является градиент влагосодержания, сдерживающим фактором вывода воды из древесины выступает градиент

температуры [173, 174]. Для описания таких процессов предложен закон Фика в следующем виде [132, 133]:

где I - плотность потока влаги (ее масса, проходящая в единицу времени через единицу площади);

а' - коэффициент влагопроводности; р0 - плотность вещества в абсолютно сухом состоянии; и - влагосодержание высушиваемого материала; 8 - термоградиентный коэффициент; t - температура.

В современной теории влагопереноса избыточное давление как потенциал сушки пиломатериалов низкотемпературными режимами не рассматривается. Такой подход основывается на том, что для формирования избыточного давления отсутствует одно из основных условий - наличие редукционного элемента, который регулировал бы давление.

Предполагается, что в открытой системе, к которой принято относить древесину, избыточное давление может формироваться только при температурах выше 100 °С, когда наблюдается интенсивное парообразование.

Из вышеприведённого обзора литературных источников следует, что повышенную интенсивность влагопереноса в древесине при сушке следует ожидать при условии повышенного значения температуры, пониженной плотности и увеличенного перепада влагосодержания по сечению доски. При этом механизм влагопереноса во многом устанавливается содержанием воды в древесине - свободной или связанной [130].

Если выводится свободная вода, то преобладающей движущей силой выступает разность капиллярных давлений во внутренней и поверхностной зонах

(1.6)

сортимента, возникающей, когда влагосодержание переходит точку насыщения волокна [130].

Связанная вода выводится из древесины по диффузному механизму. Тогда движение воды определяется наличием капиллярного натяжения в микрокапилляре, которое увеличивается с уменьшением радиуса капилляра. Отсюда следует вывод о том, что скорость капиллярного перемещения жидкости в пористом теле пропорциональна градиенту влагосодержания [130].

Открытость влагопроводящей системы древесины позволили проф. П. С. Серговскому [130] предположить наличие тесной связи между внешним и внутренним переносом влаги. Тогда процесс высыхания древесины в воздухе представляется через дифференциальные уравнения влагопроводности и влагообмена, если её начальное влагосодержание не превышает точки насыщения волокна:

= (1.7)

аг ах к '

ам

~1г=Р'Р'( ^пов. - <»р), (1.8)

где dM/dZ - скорость движения воды;

F - площадь сечения тела, перпендикулярного направлению тока

воды;

В - коэффициент влагопроводности, учитывающий одновременное движение воды в древесине как в виде пара, так и жидкой фазе; ¡- коэффициент влагоотдачи;

а>пов - концентрация воды на поверхности материала;

сор - равновесная концентрация воды, соответствующая состоянию

равновесия.

Преобразования предложенных уравнений позволили сформулировать граничные условия, при которых осуществляется сушка пиломатериалов [132]:

а

ёп ёх

= а\и по,~ п у),

(1.9)

х=0

где а ' - коэффициент влагообмена;

ипов, иу - влагосодержание поверхности доски и устойчивое влагосодержание, соответствующее состоянию среды.

Следовательно, для повышения интенсивности вывода воды из древесины достаточно увеличить разность концентраций воды по толщине доски. Для этого достаточно повысить интенсивность влагообменных процессов на поверхности доски через понижение относительной влажности агента сушки при одновременном повышении температуры. При этом пиломатериалы, выпиленные из древесины с меньшей плотностью, высыхают быстрее, по сравнению с пиломатериалами, произведённые из более плотной древесины.

Предполагается, что повышение температуры снижает динамическую вязкость воды, которая находится в древесине. Уменьшение плотности древесины увеличивает площадь живого сечения древесины по переносу воды. В результате испарение воды с поверхностной зоны доски приводит к Ж < ЖПН, после чего запускается механизм переноса воды под действием капиллярного давления [132, 173]. Перераспределение воды из области большего влагосодержания в область меньшего способствует обезвоживанию в целом всей доски. Таким образом, с увеличением значения перепада связанной воды по сечению доски увеличивается интенсивность её переноса из центральных слоёв доски к наружным.

В то же время данная теория не даёт строгого объяснения причинно-следственным явлениям при 30%. На это указывают сами разработчики данной теории [132]: «При W>Wп.н. парциальное давление пара рп. и капиллярное давление рк одинаковы по всему объёму, а их градиенты равны нулю. При этих условиях градиент влажности не может быть движущей силой влагопереноса».

На практике не получило подтверждение одно из базовых положений современной теории сушки - зависимость коэффициента влагопроводности от плотности древесины. Так, время сушки пихтовых пиломатериалов в сопоставимых условиях равно периоду обезвоживания лиственничных сортиментов или несколько превышает его. При этом базисная плотность

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Зарипов Шакур Гаянович, 2016 год

- —

250 ,

,и к

200 ос

д е

150 рт

5 « 10<£ а

е

50 ин

е

л

0 £

0 10 20 30

Продолжительность сушки, ч

Рисунок 3.10 - Избыточное давление в центре доски рц при температуре агента сушки в начальный период сушки 1с = 72°С; 1 - температура агента сушки; 2 - давление в центре доски

Выводы:

1. Избыточное давление в центре доски - величина переменная.

2. В первые часы сушки значение избыточного давления не превышает ризб=20 кПа. Такое значение наблюдается независимо от температуры, при которой осуществляется сушка.

3. Дальнейший процесс сушки сопровождается ступенчатым повышением избыточного давления в центре доски в несколько раз (кр.2, рисунки 3.9, 3.10).

4. Принципиальное различие заключается в периоде подъёма избыточного давления с 20 кПа до 60 кПа и выше. При 1с = 440С период подъёма составляет тп, = 40 ... 50 ч.; при 1с > 550С тп, = 16 ... 19 ч. Такая зависимость прослеживается независимо от толщины доски. Следовательно, 1с = 50 0С является граничной температурой, устанавливающей период подъёма давления в центре лиственничной доски при сушке.

Полученные экспериментальные данные дают основание утверждать о том, что величина избыточного давления, а значит и проницаемость древесины лиственницы при сушке зависит от температуры агента сушки.

Реакция высушиваемой системы на изменение температуры.

На рисунках 3.8 ... 3.10 представлены результаты экспериментальных сушек, которые проводились при условии подъёма температуры.

Пониженное значение избыточного давления в первые часы сушки (рц = 10 ... 20 кПа) предполагает повышенное значение проницаемости за счёт невысокого сопротивления среды, в которой происходит массоперенос. Повышенное значение проницаемости способствует накоплению в поверхностных слоях доски экстрактивных веществ в относительно короткие сроки. Следовательно, при повышении температуры агента сушки наблюдается более интенсивное вытеснение экстрактивных веществ [87].

Результаты экспериментов (рисунок 3.11) показали, что сформированный на поверхности доски слой экстрактивных веществ очень чувствителен к изменению температуры агента сушки. Так, повышение температуры агента сушки практически мгновенно приводит к повышению давления в центре доски. На возможность образования полимерной плёнки на поверхности доски, которая существенно снижает проницаемость влагопроводящей системы древесины в целом, указывает микрофотография (рисунок 3.12), на которой представлены экстрактивные вещества в закристаллизованном состоянии.

140

т га

а» С 120

а

I а» « н 100

С I

т а»

га Ч 2 80

а> 1-

0 1 О. о 60

У о

о н а» о. 40

I н

ю I

м ^ а» я 20

0

11 1...Ш ......

1 1Г1 11

2

ш лпп

5 10 15 20 Продолжительность сушки, ч

53 52 51 50 49 48 47 46

га н

1

а»

«о о га °

^ ч га 3

с >

а> о

с

2 а»

25

Рисунок 3.11 - Влияние изменения температуры агента сушки на

избыточное давление

в центре лиственничных

досок

при

1с = 46,5 С: 1 - температура в сушильной камере; 2 - давление

0

Рисунок 3.12 - Экстрактивные вещества из древесины лиственницы при увеличении в 130 раз после удаления растворителя (воды)

Полученные таким образом кристаллы экстрактивных веществ нерастворимы в горячей воде. Это значит, что процесс кристаллизации экстрактивных веществ в поверхностных слоях доски относится к категории необратимых. Следовательно, оболочка, которая формируется в первые часы сушки, со временем только увеличивается по толщине (кр. 2, рисунки 3.9 ... 3.11), уменьшая тем самым проницаемость влагопроводящей системы древесины

лиственницы в целом. В результате доска изолируется от внешних воздействий, влияние массообменных процессов на массоперенос сводится к минимальному эффекту.

Результаты мониторинга температуры в высушиваемой системе. Температура - это параметр, который оказывает ключевое воздействие на процесс сушки. Поэтому необходимо отследить закономерность изменения температуры непосредственно в определённой точке, по отношению к другой в виде перепада.

Мониторинг температуры проводился на установке, схема которой представлена на рисунке 3.6. На рисунке 3.13 - данные мониторинга температур при сушке лиственничных досок сечением 50х150 мм: в сушильной камере - кр. 1; на поверхности доски - кр. 2; перепад температур - кр.3.

о

80 70 60

5 50

га 40 .

а»

30 20 10 0

/Г 1

У5 2

906ВД ВВЩВВВ8 III г --

1 --

ук : \ 3

1 Чм |Я |&а и ЯНиИ 41 в

ч—у г-'"] У-'.,., "Г»Д'| и

1

10 20 30 40 50

Продолжительность сушки, час

14 12 10 8

60

а.

>

н

га а а»

-- 6

2 0

£

л н

о о

X

п га О.

Рисунок 3.13 - Результаты мониторинга температуры: 1 - в сушильной камере; 2 - на поверхности доски; 3 - перепад температур в сушильной камере и на поверхности доски

0

При проведении мониторинга температур в сушильной камере и на поверхности доски в период прогрева был зафиксирован перепад температур, равный в данном случае 13 °С (кр. 3, рисунок 3.13). Такой перепад объясняется различной скоростью поглощения тепловой энергии, подаваемой в сушильную

камеру. Максимальное различие скоростей достигается в начальный период прогрева системы «сушильная камера - пиломатериалы», когда значительная часть тепловой энергии поглощается древесиной (кр. 2, рисунок 3.14).

По мере выравнивания температуры по сечению пиломатериалов объём тепловой энергии, которая поглощается древесиной, снижается (кр. 2, рисунок 3.14). В результате температура пиломатериалов асимптотически приближается к температуре в сушильной камере (рисунок 3.14). Через 2 ... 4 ч. наблюдается стабилизация температуры по всей системе, которая задействована в сушке. Перепад температур стабилизируется на уровне, ^ = 3.4 °С (кр. 3, рисунок 3.13). Такое соотношение сохраняется до момента очередного подъёма температуры в сушильной камере.

14

0 2 4 6 8 10 12

Продолжительность сушки, ч

Рисунок 3.14 - Изменение температуры в высушиваемой системе: 1 -перепад температуры системы «сушильная камера - поверхность доски»; 2 -перепад температуры системы «поверхность доски - центр доски»

Особо следует остановиться на процессах, которые происходят в период подъёма температуры в сушильной камере. Данный подъём температуры соответствует режиму прогрева пиломатериалов.

Прогрев древесины относится к типичному неравновесному прерывному процессу [19]. Подача тепловой энергии в сушильную камеру переводит систему агент сушки - прогреваемая древесина из равновесного состояния в

неравновесное, которое наблюдается на границе сред (поверхность доски). Такое состояние может быть описано граничным условием [132]:

= а-А г = а (гс - ¿пов.), (3.3)

где X - коэффициент теплопроводности древесины; х - координата точки; ^ - температура агента сушки; 1Пое. - температура поверхностного слоя доски.

Равновесное состояние системы, отражаемое уравнением (3.3), предусматривает определённый тепловой баланс, из которого следует, сколько тепловой энергии на поверхностный слой доски поступает, столько же и поглощается древесиной. На практике такие условия выполнить крайне сложно. В период прогрева калориферный узел сушильной камеры работает с максимальной производительностью. В результате на поверхности доски формируется температурный напор, значения которого достигают = (10 ... 20)0С.

Тогда баланс тепловой энергии на поверхности доски представляется в следующем виде:

Опов.= О*Р.+ Осп, (3.4)

где @пов. - концентрация тепловой энергии на поверхности доски; @пр- тепловая мощность расходуемая на прогрев древесины; @исп. - тепловая мощность расходуемая на испарение воды с поверхности пиломатериалов.

Следовательно, в начальный период прогрева на поверхность доски поступает значительно большее количество тепловой энергии, чем поглощается древесиной. Тогда остаток энергии тратится на испарение воды с поверхности

-Я

м

Ах.

доски. Из этого следует, что для предотвращения испарения воды достаточно снизить интенсивность подачи тепловой энергии до уровня поглощения древесиной

Данная задача решается как теоретически по критерию Фурье, так и экспериментально путём построения кривой изменения температуры древесины в центре доски.

Ниже приведены результаты эксперимента по построению кривой изменения температуры древесины в центре доски (рисунок 3.15). Исходные данные: лиственничные пиломатериалы сечением 25x125 мм; начальная температура системы «сушильная камера - древесина» составляла 22+20С; конечная = 600С.

70

60

50

Л 40

га &

01

130 01

20

10

1

► ? < 2 ▼ 1 ' • 1 1 V ■ У3 Г Ш [—▲ 4

II—Щ—А У- --

--

\ 6

Ч_

5

-- 54,5

55,5

55

-- 54

53,5

чЯ й^

Ъ

I

и 01 ю

01 &

д I-

и

0

1

X

(В

ой

-- 53

52,5

20 40 60 80 100 120 Продолжительность прогрева, мин

140

160

Рисунок 3.15 - Изменение температуры в сушильной камере и в центре доски, изменение влагосодержания древесины в период прогрева лиственничных досок толщиной 25 мм: 1, 2 - изменение температуры в сушильной камере; 3, 4 -изменение температуры в центре образца; 5, 6 - изменение влажности, соответственно, при подъёме температуры за 60 минут, при подъёме температуры за 100 минут

0

0

Изменение температуры в период прогрева лиственничных образцов толщиной 25 мм и длиной - 500 мм с различной интенсивностью подъёма температуры проиллюстрировано на рисунке 3.15: 1, 2 - изменение температуры в сушильной камере; 3, 4 - изменение температуры в центре доски; 5, 6 -изменение влагосодержания доски.

Условия эксперимента: в первом случае температура в сушильной камере повышалась с 22°С до 60оС за 30 минут (кр. 1, рисунка 3.15); во втором случае -за 100 минут (кр. 2, рисунка 3.15). При этом, в обоих случаях, температура в центре образца достигла предельного значения - 55 °С (кр. 3, рисунка 3.15) и 53°С (кр. 4, рисунка 3.15), соответственно, за 140 минут. В то время как влагосодержание доски в первом случае снизилась на 3,2 %, во втором случае -1,4 %.

Из вышесказанного следует, что интенсивность поглощения тепловой энергии древесиной в обоих случаях была величиной постоянной ^пр=сот?). Следовательно, скорость изменения температуры древесины не зависит от интенсивности подачи тепловой энергии в сушильную камеру. В то же время от интенсивности подачи тепловой энергии в сушильную камеру зависит изменение влагосодержания древесины. Так, при увеличении интенсивности подачи тепловой энергии в сушильную камеру скорость влагообменных процессов также возрастает. Поэтому целесообразно, чтобы соблюдалось условие Quсn.^•0.

Данное условие выполняется, если скорость подъёма температуры в сушильной камере составляет щ = 0,23 °С/мин. Указанное значение скорости является первой производной уравнения (3.5), которое устанавливает закономерность изменения температуры в центре доски:

< = 0,00001г3 - 0,0044г2 + 0,6409г+ 19,313.

ц 7 7 7 7

(3.5)

Следовательно, управлять влагообменом на поверхности доски в период прогрева можно не только путём увлажнения среды, но также интенсивностью подачи тепловой энергии в сушильную камеру.

Таким образом, повышение температуры в сушильной камере с указанной скоростью создаёт условия, при которых большая часть энергии, подаваемой в сушильную камеру, поглощается древесиной и расходуется на нагрев камеры. Повышение температуры древесины приводит к созданию избыточного давления в центре доски. В результате наблюдается интенсивный вывод воды на поверхность доски.

Наличие даже небольшого перепада температур - ?пов.) в совокупности со скоростью циркуляции агента сушки в течение (2,5 ... 3) ч. способствует наполнению сушильного пространства парогазовой смесью, что делает абсолютно бесполезным впрыск воды. Таким образом, при начальном прогреве лиственничных пиломатериалов в сушильную камеру следует подавать столько тепловой энергии, чтобы температура повышалась со скоростью щ = 0,23 °С/мин. Повышение температуры с указанной скоростью позволяет проводить прогрев пиломатериалов без впрыска воды в тонкодисперсном состоянии, а значит отпадает необходимость испарять эту воду.

Общее время прогрева соответствует времени, которое рекомендуется в руководящих материалах по камерной сушке [126] для определённой толщины, 1,0 ... 1,5 часа на 1 см толщины доски. Данные рекомендации по предлагаемому режиму прогрева прошли апробацию с начальной температурой древесины (10 ... 12) °С ^о > 0°С) в полупромышленной сушильной камере (объём загрузки

-5

1м) при прогреве лиственничных пиломатериалов сечением 50х 150мм. В настоящее время данные рекомендации успешно прошли испытания в производственных условиях и используются в течение нескольких лет.

3.2 Экспериментальное изучение полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке

Цель проведения экспериментальных исследований - уточнить и дополнить имеющийся в специальной литературе материал по изучению полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке низкотемпературными режимами. Для достижения поставленной цели был проведён многоэтапный эксперимент, в ходе которого решались следующие задачи:

1. Совершенствование методики изучения полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке.

2. Распределение влагосодержания в ядровой зоне свежесрубленной древесины лиственницы.

3. Изменение распределения влагосодержания в лиственничных пиломатериалах в процессе сушки.

Совершенствование методики изучения полей влагосодержания. Поисковые опыты по изучению особенностей распределения воды в высушиваемых лиственничных пиломатериалах указали на низкую информативность применяемых в настоящее время способов определения влагосодержания в древесине. Полученные результаты по влагосодержанию в пиломатериалах как весовым, так и косвенным способом носят очень приблизительный характер, что не позволяет сделать правильные выводы из полученного массива данных.

Основным фактором, снижающим эффективность данного способа, является размер образцов древесины, в которых устанавливается влагосодержание. Поэтому было принято решение использовать в качестве испытуемого образца не отдельный слой доски, размеры которого составляют не менее половины ширины доски (Ъ = Ъд-Ъд/2) [2], а меньший в несколько раз объём в виде ламели размером 5х10 мм. Принятый объём древесины, в котором измеряется влагосодержание, более полно даёт информацию по наличию воды в

конкретной точке доски. Совокупность точек, в которых производится определение влагосодержания, позволяет более точно построить поле распределения воды в высушиваемой доске.

В целом поле влагосодержания определяется следующим образом. Из высушиваемого образца выпиливается секция, длина которой вдоль волокон составляет (30 ... 40) мм (рисунок 3.16). Полученная секция предварительно размечается, после чего раскалывается на ламели (рисунок 3.17), размеры которых составляют 5х(8 ... 10)х(30 ... 40) мм. Полученные таким образом ламели позволяют устанавливать точность измерения влагосодержания в отдельно взятой точке на уровне 98 ... 99% от общепринятой по ГОСТ 16588-91 (ИСО 4470-81) «Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности». Полученная точность удовлетворяет точности измерения влагосодержания для древесины.

Применение одного метода измерения влагосодержания указывает на наличие системной ошибки, равной 1 . 2% для всех секций. Поэтому полученные результаты сравнимы между собой и могут быть использованы для анализа распределения влагосодержания в целом в лиственничных пиломатериалах данного региона. К основным недостаткам данного способа получения информации по распределению влагосодержания можно отнести его трудоёмкость.

Секция для измерения влажности по сечению

Рисунок 3.17 - Разметка секции для определения поля влажности по сечению доски: первая цифра координаты пробы - номер строки; вторая цифра координаты пробы - номер столбца

Полученные указанным методом данные позволили выявить ряд закономерностей, которые дали возможность уточнить и дополнить имеющиеся сведения по распределению воды в пиломатериалах перед сушкой, а также кинетике сушки лиственничных пиломатериалов.

Изменение влагосодержания во времени в периферийной и центральной зоне досок позволили более точно спрогнозировать влияние определённых факторов на процесс сушки и др. Поэтому предложенный в настоящей работе способ определения влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке является, по нашему мнению, более эффективным при проведении исследовательских работ.

Распределение воды в лиственничных пиломатериалах перед сушкой.

Распределение влажности по длине доски исследовалось в процессе подготовки образцов к испытаниям. Длина испытуемых образцов составляла 500 мм. Поэтому пробы на определение влагосодержания отбирались через 500 мм по длине доски. Часть массива данных, полученных в процессе исследований, которые отражают суть вопроса, представлены в таблице 3.8.

Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах толщиной 25 мм и 50 мм (таблица 3.9).

Таблица 3.8 - Распределение влажности по длине доски

№ п/п Влажность в точке, % Среднее значение Разброс влажности AW, %

Wcp, %

1 31,3; 30,5; 26,9; 31,2; 37,0 31,38 10,1

2 39,97; 43,55; 32,07; 37,83 38,36 11,48

3 56,1; 59,0; 62,38; 64,72; 64,89; 62,6; 60,93 61,52 8,79

4 42,67; 49,86; 44,0; 47,45 46,0 7,19

5 57,24; 39,0; 63,84; 46,48; 85,19 58,35 46,19

6 58,69; 65,82; 59,36; 74,39 64,57 15,7

7 45,42; 34,96; 36,89; 38,99; 38,21 38,89 10,46

8 48,0;45,3; 46,6; 38,0 44,48 10,0

9 31,21; 38,67; 43,03; 41,1 38,50 11,82

10 55,3; 50,7; 51,5; 45,0 50,63 10,3

11 60,98; 65,69; 70,0; 63,0 64,92 9,02

Таблица 3.9 - Начальная влажность лиственничных пиломатериалов в

зависимости от толщины доски

Наименование параметра Толщина доски, мм

25 50

1 2 3

Размер выборки, шт 120 89

Среднее значение, % 46,26 48,56

Дисперсия (о2) 206,69 178,88

Среднее квадратичное отклонение (о) 14,38 13,37

Коэффициент вариации, у 31,1 27,53

AW, %: 56,59 58,23

- min; 30,2 30

- max 86,79 88,23

Полученные данные дают основание утверждать, что влагосодержание ядровой зоны свежесрубленной древесины является параметром, имеющим значительную изменчивость как по длине доски, так и по поперечному сечению. Среднее значение влажности составило 46,26 ... 48,56%, что согласуется с данными, имеющимися в специальной литературе [23].

Распределение воды по толщине лиственничной доски. Полученные результаты измерений представлены графически (рисунки 3.18, 3.19).

120

^ 100

«

х 80

«

К

& 60

§

2 40

и «

Я 20

И

2 4

5

(Л

1 3 5 7 9

Порядковый номер точки измерения по ширине

доски

Рисунок 3.18 - Распределение начальной влажности по сечению лиственничной доски размерами 25х100мм (Жср. = 71,9%): 1 - 1-й ряд по толщине доски; 2 - 2-й ряд по толщине доски; 3 - 3-й ряд по толщине доски; 4 - 4-й ряд по толщине доски; 5 - 5-й ряд по толщине доски

3

0

35

13579 Порядковый номер точки измерения по ширине доски

Рисунок 3.19 - Распределение начальной влажности по сечению лиственничной доски 50х100мм = 47,8%): 1 - 1-й ряд по толщине доски; 2 -

2-й ряд по толщине доски; 3 - 3-й ряд по толщине доски; 4 - 4-й ряд по толщине доски; 5 - 5-й ряд по толщине доски; 6 - 6-й ряд по толщине доски; 7 - 7-й ряд по толщине доски; 8 - 8-й ряд по толщине доски; 9 - 9-й ряд по толщине доски; 10 -10-й ряд по толщине доски

Из полученных результатов измерений видно, что влагосодержание по сечению сырых лиственничных досок распределено неравномерно: 38,2% - в одной точке и 94,1% - в другой (ЛЖн = 55,9%). Наблюдается различие содержания воды древесины в смежных ламелях - 60,6% и 41,0%, 94,1% и 69,8% и т.д. Приведённая закономерность характерна как для тонких, так и для толстых пиломатериалов.

Одним из факторов такого распределения воды в лиственничных пиломатериалах является неравномерное распределение арабиногалактана по стволу дерева. Данное утверждение основывается на следующем: получение пиломатериалов путём распиловки бревна относительно оси бревна предполагает охват различных зон дерева. При этом преимущественно арабиногалактан в процессе роста дерева накапливается в комлевой части ствола, а также в ядровой зоне на границе с заболонной [31]. Активно взаимодействуя, арабиногалактан связывает значительное количество воды, которая находится в ранней древесине годичного слоя.

Распределение влагосодержания в лиственничных пиломатериалах в процессе сушки.

Цель: уточнить и дополнить сведения о кинетике сушки лиственничных пиломатериалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучалась закономерность изменения влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при ^ = 250С.

2. Изучалось изменение полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при камерной сушке низкотемпературными режимами.

3. Уточнялась кинетика сушки лиственничных пиломатериалов.

Закономерность изменения влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при 1с = 25°С.

Для более полного понимания особенностей процессов камерной сушки необходимо определиться с базовым уровнем. Во многих случаях в качестве базового варианта рассматривается сушка сосновых пиломатериалов. Подход на сравнении пород позволяет оттенить древесину лиственницы на фоне хорошо изученных пород. В работе ставится задача - установить уровень, при котором интенсивность экстракции водорастворимых веществ не оказывает значимого влияния на проницаемость древесины лиственницы.

Режим, при котором интенсивность экстракции водорастворимых веществ из древесины лиственницы находится на минимальном уровне, составляет 1с = 25°С [87], [176]. Поэтому данный температурный режим был заложен в основу базового варианта при изучении вопроса изменения поля влагосодержания при сушке лиственничных пиломатериалов.

Для этого была сделана закладка из 15 лиственничных досок толщиной 50 мм, которые сушились в течение 3-х месяцев при 1с = 25°С. Периодически из опытной партии пиломатериалов производился отбор проб на предмет изучения распределения воды в высушиваемом материале. Результаты проб представлены графически на рисунке 3.20.

Отличительная особенность данного процесса - это относительно низкая интенсивность вывода воды по сравнению с камерной сушкой (кр. 2, рисунок 3.21). Такое соотношение объясняется низкой интенсивностью образования парогазовой смеси, и, как следствие, ограниченным воздействием избыточного давления на процесс вытеснения водного раствора экстрактивных веществ из древесины на поверхность доски.

45 40

35

л

I

5 30 о 30 а>

ё 25 а.

5 20 н о

0

1

X

§ 10 аз

15

5

5

1

2

0,04

0,03 0,025 0,02 0,015 + 0,01 0,005 0

5

X

3

>

о

л н

о

С о?

§ г

0 И

к га

1

л с

а>

5

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 Продолжительность сушки, ч

Рисунок 3.20 - Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением 50x150 мм при = 25°С: 1 - кривая влагосодержания; 2 - кривая удельной скорости сушки

0

л

I

О

а» со а» ср Ч

л н

о

0

1

X га С

т

60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00

1

--

2 5 3

6^ ^ 7 1— 4

10 20 30 40

Толщина доски, мм

50

60

Рисунок 3.21 - Распределение влажности при атмосферной сушке лиственничных пиломатериалов: 1 - т = 0 сут.; 2 - 9 сут.; 3 - 21 сут.; 4 - 27 сут.; 5 - 34 сут.; 6 - 40 сут.; 7 - 47 сут.

0

Можно предположить, что в этот период сушки на поверхность доски в основном выводится только вода, с глубины доски не более 5 мм, в небольших объёмах экстрактивные вещества, которые не способны сдерживать выделение воды (кр. 2, рисунок 3.21). Поэтому даже незначительное воздействие избыточного давления формирует перепад влагосодержания по сечению доски, равный после 9 суток сушки АЖ = (14 ... 16)%. При этом перепад связанной воды АЖсв= (8 ... 12)%, что предопределяет наличие значительных растягивающих напряжений в поверхностных слоях доски. Удельная скорость

Л

сушки в этот период составляет ОЖ = 0,025 ... 0,038 кг/(м -ч).

На последующих этапах интенсивность удаления воды с поверхностных зон доски замедляется по сравнению с изменением влагосодержания внутренних слоёв (рисунок 3.21). Указанное явление объясняется таким фактором как формирование слоя пермеата на внешней стороне мембран. По этой причине возникает сдерживающий эффект в виде снижения интенсивности влагообменных процессов при одновременном сохранении внутреннего градиента избыточного давления. В результате происходит постепенное выравнивание влагосодержания по сечению доски.

Процесс выравнивания влагосодержания со временем замедляется. Такой процесс объясняется снижением перепада давления по сечению доски при одновременном увеличении сопротивления среды за счёт снижения содержания свободной воды. В результате формируется некоторое равновесное состояние между сдвиговым действием и сопротивлением древесины массопереносу. В результате в конце сушки сохраняется перепад влагосодержания по сечению доски на уровне (3 . 8)%.

Анализ графиков свидетельствует о том, что влагосодержание в лиственничных пиломатериалах при атмосферной сушке изменяется по общепринятой схеме: происходит углубление зоны испарения. Полученные экспериментальные данные по атмосферной сушке дают основание утверждать, что процесс удаления воды происходит при незначительном воздействии

экстрактивных веществ. Поэтому кинетика сушки лиственничных пиломатериалов при ^ = 250С может быть принята за базовый вариант.

Закономерность изменения полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при камерной сушке низкотемпературными режимами.

Опытные сушки проводились в сушильной установке, схема которой представлена на рисунок 3.22. Сушильная установка создана на базе медицинского автоклава. Для поддержания определённого температурного режима, а также необходимой скорости циркуляции в сушильной установке использовалась автомобильная система отопления. В качестве теплоносителя применялся тосол, который прогревался в отдельном резервуаре. Циркуляция тосола через калорифер осуществлялась с помощью помпы, которая применяется в отопительной системе автомобиля.

Рисунок 3.22 - Схема сушильной камеры: 1 - сушильная камера; 2 - калорифер; 3 - вентилятор; 4 - испытуемые образцы; 5 - контрольный образец; 6 - температурный датчик; 7 - весы; 8 -противовес; 9 - психрометр

Схема работает в автоматическом режиме. Для этого используется микропроцессорный измеритель - регулятор ТРМ1, который работает в паре с термопреобразователем сопротивления ДТСХХ5 (техническую характеристику см. в таблице 3.6). Измеритель - регулятор ТРМ1 позволяет проводить измерения, а также уставливать и регулировать температуру нагрева теплоносителя. На

встроенном светодиодном цифровом индикаторе, которым оснащён прибор, отображается текущее измерение температуры. Коррекция температурных показателей осуществляется по показаниям психрометра.

Побудителем циркуляции является осевой вентилятор. Циркуляция агента сушки осуществляется по следующему контуру - «высушиваемые образцы (п. 4, рисунок 3.22) - межкожуховый канал (на рисунке 3.22 показано стрелками)

- калорифер (п. 2, рисунок 3.22)». Скорость циркуляции по поверхности образцов составляет иц = 0,9 м/с.

Сушильная установка работает как с парогенератором, так и без него. При этом поверхности высушиваемых образцов в любой момент сушки оставались «на ощупь» мокрыми, что указывает на нецелесообразность использования системы увлажнения при сушке лиственничных пиломатериалов. Поэтому большая часть опытных сушек производилась без парогенератора.

Объём загружаемых в сушильную установку образцов позволяет отслеживать изменение поля влагосодержания в течение всего процесса обезвоживания через каждые 12 часов при толщине 25 мм и 24 часа, при толщине

- 50 мм. После выпиловки пробы торец образца гидроизолировался, что позволяло использовать его повторно для взятия пробы через определённый промежуток времени.

Условия проведения опытных сушек.

Реализовывался полный факторный план 22, где рассматривалось 2 фактора

- температура и толщина доски на 2-х уровнях: толщина 25 мм и 50 мм; температура 440С и 600С. Всего было проведено 3 серии, то есть 12 опытных сушек.

Нижний температурный уровень 1с = 440С обосновывался двумя критериями: минимальной интенсивностью экстракции водорастворимых веществ; исключение вероятности появления в пиломатериалах деревоокрашивающих грибов. В этом случае определяющим критерием является второй - исключение появления деревоокрашивающих грибов.

Деревоокрашивающие грибы паразитируют на древесине. Наличие этих грибов приводят к изменению цвета и появлению на древесине плесени, что значительно снижает потребительские свойства пиломатериалов [44]. Сортность пиломатериалов, у которых произошло изменение цвета древесины, значительно снижается. Особенно подвержена грибным поражениям заболонная зона древесины лиственницы. Не смотря на то, что в лиственничных пиломатериалах заболонная зона в доске встречается не так часто, игнорировать этот факт нежелательно. Поэтому технологический процесс подготовки лиственничных пиломатериалов необходимо ориентировать на экстремальный вариант - на заболонную зону.

Грибы могут развиваться при температуре от 2 0С до 35 0С и влагосодержании древесины от 20% и выше. В то же время наиболее оптимальными для развития деревоокрашивающих грибов являются температура (15 ... 25) 0С и влагосодержание древесины (30 ... 60) %. При влагосодержании древесины ниже 20 % грибы развиваться не могут. Также невозможно развитие грибов в древесине, полностью насыщенной водой, так как в ней недостаток кислорода. При температуре ниже 2 °С и выше (40 ... 45) °С развитие грибов прекращается [44]. На основании приведённых данных за базовый вариант исследования была принята температура, равная 44±20С.

Максимальный температурный уровень составил ^ = 600С. Данная температура является минимальной, которая регламентируется ГОСТом 19773-84 «Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия».

Обработка и обсуждение полученных результатов.

Интенсивность удаления воды из лиственничных пиломатериалов в интервале (Жн. ... 30)% проанализируем по результатам экспериментов, представленных на рисунках 3.23, 3.24.

1 о

й 05

Ш >

2 ь

О. та

ч а

* I

о 5

0 о

1 I—

*

л ц

со

80 70 60 50 40 30 20 10 0

1 1 А

к............■.............. 3 ¡г-■

а V1 2

г г ■ к

1

10 20 30 40 50

Продолжительность сушки, час

-- 0,08

0,06

0,04

-- 0,02

Э

>

0 л 18 -£

ъ Тг

к та

1

л

<и £

60

Рисунок 3.23 - Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением 50х125 мм при 1с = 44°С от Жн = 68 % до 30%: 1 - кривая изменения влажности; 2 - удельная скорость сушки; 3 - температура агента сушки

0

0

л

X