CC BY
9
5. Sokolovskyy Ya.I. Analysis of stressed-strained of lumber in drying process.// Naukovyi visnyk, 8.1: 156-165. - Lviv, USUFWT, 1998 (Ukrainian language).
6. Sokolovskyy Ya.I. Technological stresses and strains of wood in drying process.// Naukovyi visnyk, 9.3: 168-176. - Lviv, USUFWT, 1999 (Ukrainian language).
7. Sokolovskyy Ya.I. Identification of stressed-strained state of lumber with taking into account deepering of moisture evaporation zone.// Naukovyi visnyk, 9.5: 89-93. - Lviv, USUFWT, 1999(Ukrainian language).
8. Sokolovskyy Ya.I. Mutual connection of stressed-strained state of drying wood with parameters of internal and external processes of mass heat transfer.// Naukovyi visnyk, 9.6: 64-68. -Lviv, USUFWT, 1999 (Ukrainian language).
9. Sokolovskyy Ya.I. Stressed-strained state of logs in drying process.// Naukovi zapysky Ukrainskoi akademii drukarstva. Naukovo-tehnichnyi zbirnyk, 2: 20-22.- Lviv, 2000 (Ukrainian language).
10. Sokolovskyy Ya.I. Computation of stressed-strained wood state with cosinusoidal law of distribution of moisture content.// Visnyk Tehnologichnogo universytetu Podilla. Tehnichni nauky, part 2: 191-193. - Hmelnyckyy, 2000 (Ukrainian language).
11. Sokolovskyy Ya.I., Andrashek J.V. Methodics and results of experimental researches of rheological behaviour of wood.// Naukovyi visnyk, 9.13: 15-26. - Lviv, USUFWT, 1999
11. Sokolovsky Ya.I., Poberejko B.P., Filinjuk R.V. Technological stresses and strains of wood in the proscess of drying// XIII Konferencja Naukowa Wydzialu Technlogiji Drewna SGGW "Drewno-material o wszechstronnym przeznaczinib i zastosowaniv". - Warszawa. - 1999. - p. 377-389.
12. Pat. 23818 A, Ukraine, MKHF26 B25/22. System of automatic regulation of drying process with taking into account its physical-mechanical state./ Sokolovsky Ya.I., Safarov V.O., Knysh Yu.V. (Ukraine)/; Published 16.06.98 (Ukrainian language).
УДК 674.047 Проф. П.В. Бглей, д-р техн. наук - УкрДЛТУ
АНАЛ1З ОСНОВНИХ СПОСОБ1В СУШ1ННЯ КАП1ЛЯРНОПОРИСТИХ КОЛО1ДНИХ МАТЕР1АЛ1В
Розглянуто фiзичнi особливост та ефективнють кондуктивного, радiацшного, електричного та конвективного способiв сушшня катлярнопористих колощних ма-терiалiв.
Prof. P. V. Biley - USUFWT Analysis of basic of colloid materials drying methods
Considered the physical peculiarities and effectiveness conduction, radiation, electric and convection drying methods of colloid materials.
Капшярнопорисп коло'1дш матерiали охоплюють широкий спектр ре-човин, в основному, оргашчного походження. Деревина, яка входить до цього класу матерiалiв, мае складну анатомiчну будову i фiзико-механiчнi властивость Особлившть будови деревини полягае в тому, що при початково-му зволоженш вона мае явно виражеш коло'1дш властивоста, а в подальшiй полiмолекулярнiй конденсаци - властивостi капiлярнопористого тша.
Процес видалення вологи з катлярнопористих колощних матерiалiв супроводжуеться порушенням ii зв'язку з тiлом, на що потрiбно витрачати значну кiлькiсть енерги. Тому, класифiкацiя форм зв'язку тш з вологою побу-дована за принципом штенсивносл цього зв'язку. У цьому ж напрямку до-цшьно провести аналiз ефективностi рiзних способiв сушiння та 1х комбша-
цш. За особливостями передачi тепла до висушуваного матерiалу сформуль-овано чотири основш способи сушiння: кондуктивний (контактний), елек-тричний, радiацiйний (тепловим випромшюванням) та конвективний. Кож-ний з цих способiв можна роздiлити на види та тдвиди, яких найбшьше мае конвективний. Можлива комбiнацiя окремих способiв, видiв та пiдвидiв, як-що одночасно використовуються рiзнi способи передачi тепла або сумща-ються iншi ознаки. У чистому видi названi вище основнi способи зус^ча-ються рiдко, частiше переважаючим е той чи шший метод передачi тепла, який доповнюеться iншим. Таким чином, анатз ефективностi способiв су-шiння е актуальною i рiзноплановою задачею.
Кондуктивне сушшня характеризуеться передачею тепла на нагрь вання вологого матерiалу i випаровування з нього вологи ввд нагргго! поверхш. Кондуктивний спосiб сушiння широко використовуеться в промисловос-тi для сушшня паперу та iнших тонких листових матерiалiв. Основними параметрами, яю визначають кiнетику процесу кондуктивного сушшня, е температура гргючо! поверхш, ступiнь притискання матерiалу до гргючо! повер-хнi, параметри оточуючого середовища.
Основним технологiчним параметром е товщина матерiалу. Названi параметри впливають не тшьки на швидкiсть сушiння i на критичний воло-говмiст, але i на технологiчнi властивостi та яюсть матерiалу.
Температура гртачо! поверхш е основним параметром, який впливае на триватсть контактного сушшня. З шдвищенням температури гргючо! поверхш тривалiсть сушiння рiзко скорочуеться. Вплив температури гргючо! поверхнi е iстотним протягом всього процесу сушiння, лише в кшщ процесу цей вплив зменшуеться. Температура гртачо! поверхнi впливае також i на якiсть висушуваного матерiалу. На тривалiсть процесу великий вплив мае товщина матерiалу. Наприклад, збiльшення товщини шпону вiд 0.22 мм до 0.44 мм веде до збшьшення тривалосл сушiння майже у три рази. Наступне збшьшення товщини веде до ще бшьшого зростання (на два-три порядки) за-гально! тривалостi сушiння. Сила притискання матерiалу до контактуючо! поверхнi мае незначний вплив на теплофiзичну суть процесу, але значною мь рою впливае на формування поверхнi матерiалу i його загальну якiсть.
Для практичних розрахунюв загально! тривалостi контактного сушшня використовують [1] наближену залежшсть:
т = ---[1 + 2,3^ш„ ], (1)
N ХЫ
де: N - швидюсть сушiння в першому перiодi, %/с; X- вiдносний коефiцiент сушшня, 1/ %; Wo 'i Жк - початкова i кiнцева вологiсть матерiалу, %.
Кiлькiсть тепла, яка отримана ввд гртачо! поверхнi в першому перiодi процесу сушiння, витрачаеться на випаровування та втрати тепла на випромь нювання вщкритою поверхнею матерiалу в середовище i на конвективт втрати. Але цi втрати е невеликими (3.. .5 %) i ними можна знехтувати. Отже,
Ч = го], (2)
де: г0 - питома теплота пароутворення, кДж/кг; / - iнтенствнiсть випарову-вання, кг/(м2 с).
В умовах контактного сушшня перенесення вологи вiдбуваeться у виглядi пари (частка перенесення вологи у рщкому станi дуже мала i нею можна знехтувати), тому розповсюдження тепла в матерiалi здшснюеться шляхом теплопровiдностi i перенесенням пари, тобто:
Ч + К/п , (3) ап
де: X - коефiцieнт теплопровiдностi матерiалу, Вт/м град; &/ап - градieнт температури; кп - ентальпiя пари;/п - iнтенсивнiсть перенесення пари.
З рiвняння (3) знаходимо густину потоку в перетинах матерiалу, близьких до гртачо! поверхнi
г0 / + Мг / ап
/п -, (4)
К
Спiвставляння величин (4) та (Маг/ап) показуе, що потiк тепла, зумовле-ний теплопроввдтстю е значно меншим вiд загального потоку тепла (4), тобто мехатзм теплопровiдностi не може забезпечити передачу тепла в юлькосп (4) i вона здiйснюеться значною мiрою перенесенням маси пари. Таким чином, перенесення теплоти парою в серединi матерiалу е вирiшальним в процесi контактного сушшня тонких капшярнопористих кологдних матерiалiв.
На пiдставi наведеного вище кондуктивне сушiння не можна рекомен-дувати для товстих матерiалiв, наприклад, пилопродукци. Неефективним е також кондуктивне на^мвання пиломатерiалiв, яке спостерiгаеться у вакуумному та шдукцшному способах сушшня.
На^вання та сушiння матер1а.ив в електромагнiтному полi Грун-туеться на явищi поляризаци. Вологi матерiали е поляризацшно-релаксацшни-ми системами, в яких прикладена напруга електричного i магнiтного полiв роз-повсюджуеться не миттево, а з деякою швидюстю, яка характеризуеться перь одом релаксаци. Ця властивiсть вологих матерiалiв зумовлюе !х нагрiвання в змiнному електричному полi (сушiння струмами високо! частоти).
Ввдмшною особливiстю нагрiвання вологих матерiалiв струмами високо! частоти за умови тепло- i вологоiзоляцii поверхш тiла i рiвномiрного початкового розподшу вологовмiсту е рiвномiрне видiлення тепла по всьому об'ему вологого тта за рахунок перетворення електрично! енерги в тепло. Це дае змогу отримати дуже велику швидкiсть шдведення тепла або точнiше -отримати надзвичайно потужш джерела тепла, яю рiвномiрно розподiленi в серединi матерiалу. Однак, в реальних умовах процес теплообмшу матерiалу з оточуючим середовищем призводить до утворення поля температур, яке, в свою чергу, викликае перенесення вологи, а, вiдповiдно, до утворення полiв вологовмiсту. Виниклi поля температур i вологовмiсту в свою чергу безпосе-редньо впливають на електричне поле в середиш матерiалу, яке i зумовлюе процес наг^вання вологого тiла.
На ввдмшу ввд звичайних способiв сушшня, для яких перенесення во-логи в середиш матерiалу вiдбуваeться шд дieю градieнтiв вологовмiсту, тем-ператури i загального тиску, при сушшш в змiнному електромагнiтному полi на перенесення вологи впливають термодинамiчнi рушшш сили, в якостi яких прийнято результуючi вектори напруженостi електричного та магштно-го полiв. Вологий матерiал е гетерогенним середовищем, яке складаеться iз скелету i зв'язано! речовини в рiзних фазових станах. У таких ттах мають мiсце вс види поляризаци, яю характернi для нашвпроввдниюв та дiелектри-кiв. У дiелектрику поворот диполiв та !х коливання пiд дiею зовнiшнього електричного поля зв'язаш з видiленням тепла. Таким чином, енерпя, яка витрачаеться на поляризащю дiелектрика, генеруеться у виглядi тепла. Якщо через позначити кiлькiсть тепла, яка видшяеться в одиницi об'ему матерь алу (Вт/см3), можна записати залежшсть:
<2У = 0,555Е , (5)
де: Е - напружешсть зовшшнього електричного поля, в/см; /- частота електричного поля, Гц; £ - дiелектрична проникливiсть або дiелектрична стала; 8 - кут дiелектричних втрат.
Нагрiвання вологого матерiалу струмами високо! частоти вiдбуваеться досить штенсивно, тому швидкiсть випаровування на багато р^в перевищуе швидкiсть перенесення пари в середиш пористого тша, там виникае градiент загального тиску, який е основною рушшною силою вологоперенесення в цьому способi сушшня. Даному явищу сприяе дифузiя ковзання в мшрокаш-лярах та ефузшне натiкання повiтря в мiкрокапiлярах, оскшьки температура в центрi матерiалу е бшьшою, нiж на його поверхш. На початку процесу висо-кочастотного сушшня температура в середиш матерiалу рiзко зростае, а потам деякий час тримаеться на рiвнi температури кипiння води. Далi температура може зростати до великих значень (300.. .500 °С). Тому на^мвання бажа-но переривати, але з шшого боку, при вологостi матерiалу менше 15.20 %, високочастотний генератор може не включатись через вщсутшсть суцiльного електричного поля за умов низько! вологостi.
У високочастотному полi виникають значнi градiенти вологовмiсту, яю викликають напруження i небезпеку появи внутршшх трiщин. Змiнюючи градiент температури можна досягнути рiвномiрного розподiлу вологовмiсту в серединi матерiалу. Тому з технолопчно! точки зору кращi результати да-ють комбiнованi способи сушшня, що дозволяе майже вдвiчi зменшити вит-рати електрично! енерги на процес сушшня. Але навггь iз застосуванням оп-тимальних режимiв, сушшня струмами високо! частоти для бшьшосл матерь алiв е в 3.5 разiв дорожчим за конвективне сушшня. Крiм того, складнiсть обслуговування обладнання, його висока вартасть, ненадiйнiсть роботи висо-кочастотних генераторiв дають шдстави для висновкiв про передчаснiсть ви-користання даного способу сушiння пиломатерiалiв.
Радiацiйне сушшня характеризуеться передачею тепла на названия вологого матерiалу i випаровування з нього вологи шфрачервоними променя-ми. Деколи застосовують спещальш лампи, якi, крiм iнфрачервоних, видшя-
ють ще i видимi променi. Ламповi сушарки мають обмежену галузь застосу-вання, !х використовують тiльки у випадках, коли теплоенергетичш показни-ки не мають iстотного значення порiвняно з тривалiстю процесу i яюстю готового продукту.
Тепловi променi проникають у деревину лише на глибину 7...10 мм. Проникнення iнфрачервоних променiв в матерiал зменшуеться iз збiльшенням довжини хвнт, тобто зменшення температури (за формулою Вша Лтах=2886/Т). За основну оптичну характеристику матерiалу приймають коефiцiент ослаблен-ня променя - кМ який визначаеться з формули Ламберта-Бугера:
I = Ioe~км, (6)
де: I - штенсившсть променевого потоку, який заглибився через шар матерь алу товщиною - х; 10 - iнтенсивнiсть теплового потоку, який падае на повер-хню матерiалу.
Для розрахунку променевого теплообмшу потрiбно знати також величину коефщента вiдбивання - кг, поглинання - ка, ступiнь чорноти тша - ета оптично-геометричнi характеристики матерiалу. У бiльшостi випадкiв радь ацiйне сушiння супроводжуеться конвективним сушшням нагрiтими газами. Ознакою чисто радiацiйного сушiння е рiвнiсть температури поверхш матерь алу гпов температурi середовища - гс. У цьому випадку для перюду постiйноi
швидкостi сушшня (коли — = 0) можна записати:
ат
г DNu'
чь = го/ = roa'p (Pnoe - Pc) = ^ - Рс), (7)
де: Чъ - поглинутий поверхнею тша променевий полк; — - коефщент дифузи пари в приповерхневому шарц ар - коефiцiент радiацiйного масообмшу; N и - масообмiнний критерш Нусельта; Рпов - тиск пари коло поверхш матерiалу, Р =Р
* пов * нУ процес радiацiйного сушiння в середиш матерiалу можуть форму-ватись значш градiенти температур Лг по товщиш: в першому перiодi сушш-ня Лг=10...20 °С, а в другому перiодi - Лг=60...100 °С. Швидке збiльшення температури матерiалу пiсля критично! вологосл призводить до тривало! ди високих температур на матерiал, що негативно позначаеться на структурно-мехашчних властивостях, технологiчних та споживчих якостях деревини. Значний температурний градiент також негативно впливае на вологопроввд-шсть, зменшуючи !! через протилежну направлешсть термовологопроввднос-тi. Все це робить недоцшьним радiацiйний спосiб сушiння пиломатерiалiв.
У конвективному способi сушшня тепло до поверхш матерiалу пе-редаеться шляхом конвекци нагрiтого середовища (рвдини або газу). Конвек-тивне сушшня дшять на два основнi види: конвективно-атмосферне та кон-вективно-теплове. Останнш вигляд деколи називають технiчним, оскшьки воно вимагае застосування певного обладнання.
Основними особливостями конвективно-атмосферного сушiння е ви-користання теплоти атмосферного повггря, сезоннiсть процесу та низькi температури середовища. Процес атмосферного сушшня пиломатерiалiв малоке-
рований i потребуе врахування багатьох аспекпв: впливу мiкроклiмату, со-нячно! радiацií, способу складання i розмiщення матерiалу, сили i напрямку вiтру, характеристики пилопродукци та и призначення. Цей спомб сушiння потребуе проведення додаткових дослвджень для створення примусово! цир-куляци та вiдповiдного мiкроклiмату, розробки нас^зно! технологи комбь нованого атмосферно-камерного сушшня. Ефективнiсть такого поеднання не викликае жодних сумнiвiв i шдтверджуеться проведеними дослiдженнями i виробничою практикою.
Конвективно-теплове сушшня можна подшити на багато пiдвидiв за тiею чи iншою ознакою. За видом середовища розрiзняють: сушшня в рвдин-ному або газовому середовищц сушiння з використанням додаткових ефек-тiв: ротацiйне (використовуеться ввдцентровий ефект вiд обертання матерь алу), вакуумне (створення вакууму з рiзними способами нагрiвання матерь алу), адсорбцшне (використання для висушування середовища рiзними адсорбентами), конденсацiйне (використання кондицiонерiв для нагрiвання i висушування середовища). Проаналiзуемо !х ефективнiсть.
Для сушшня пиломатерiалiв в рiдинах, як агенти обробки, може вико-ристовуватись нагргга вода, гiдрофобнi чи гiдрофiльнi рщини. Комбiнуючи нагрiвання деревини у водi з наступним охолодженням i сушшням на повiтрi можна для деяких порщ досягти вологостi 15.20 %. Сушiння у гiдрофобних рiдинах (масло, розплави парафшу, сiрки, металiв) е високотемпературним штенсивним процесом. Такi матерiали можна використати тiльки в окремих галузях (будiвництво, транспорт). Сушiння в пдрофшьних рiдинах доцiльно використовувати перед просочуванням матерiалiв. Сушiння пиломатерiалiв в середовищi топкових газiв не дае належно! якостi. Сушiння в середовищi пе-регрiто'í пари - високотемпературний процес, а в середовищi пари оргашчних речовин е можливим, але недоцiльним за багатьма ознаками. Тому у 95.98 % випадюв промисловим е використання, як агента сушшня, паропо-виряно! сумiшi.
Сушiння деревини, як правило, ввдбуваеться iз змшою агрегатного стану рiдини з витратою значно! кiлькостi енерги. Тому ротацшне зневоднен-ня дозволяе видалити вшьну (механiчно зв'язану з матерiалом) вологу без витрачання теплово! енергЦ. Однак, створення належного ефекту вiдцентро-вих сил потребуе складного устаткування i ретельного балансування матерi-алу на платформ^ що е складною техшчною проблемою. Адсорбцiйне сушiн-ня в пароповггряному середовищi використовуеться в окремих випадках, коли ^м сушшня потрiбно ще видалити i деяю домiшки чи аромати. Конден-сацшне сушiння знайшло бiльш широке застосування через бажання отрима-ти своервдний "вiчний двигун": вiд кондицiонера отримуемо тепло на нагрi-вання деревини i випаровування з не! вологи, а конденсащя пари (в кондиць онерi) дозволяе повернути теплоту пароутворення в сушарку. Ефектившсть такого способу сушшня е сумшвним, вiн потребуе доопрацювання.
Найбшьш розрекламованим способом е вакуумне сушшня. У матерь ал^ який розмiщений у вакуумi, створюеться позитивний градiент тиску в
напрямку потоку вологи (ввд центральних до зовшшшх шарiв). Для тдсилен-ня цього ефекту матерiал потрiбно нагрiти. Використовують контактне, кон-вективне та дiелектричне нагрiвання деревини. Найбiльш ефективним е дь електричне нагрiвання у полi струмiв високо! частоти (вакуумно^електрич-не сушшня). Такий спосiб сушiння потребуе складного i дорогого обладнан-ня, ввд чого собiвартiсть сушiння збшьшуеться у 2-3 рази порiвняно з конвек-тивним. Контактне нагрiвання е громiздким i неефективним, тому застосо-вуеться дуже рiдко. Конвективне наг^вання використовуеться двох видiв: нагрiтим повирям або водяною парою. Нагрiте повггря циркулюе примусово в камерi, а тсля нагрiвання деревини вiдсмоктуеться вакуумним насосом. Аналогiчно перiодично в камеру запускаеться насичена пара, матерiал нагрь ваеться до визначено! температури, а потам створюеться вщповвдноТ глибини вакуум. У нагртй до температури китння води деревинi (для дано! глибини вакууму) очшуеться створення надлишкового тиску. Таким чином, вс три рушшш сили повиннi iнтенсивно переносити вологу до поверхнi матерiалу. Однак, очшуваного ефекту вакуумне сушiння не дае i не може дати з тае! причини, що вакуумпрониклившть деревини поперек волокон е дуже малою, повггря вiдсмоктуеться тшьки з поверхневих шарiв. Про те, що в центральних шарах немае вакууму, сввдчить зростання до високих значень (300.400 °С) температури матерiалу в процес дiелектричного нагрiвання (температура деревини не повинна зростати вище температури китння води). В процес конвективного на^вання температура в матерiалi не досягае точки китння (гк=100 °С). Таким чином, перемщення вологи здiйснюеться тiльки за раху-нок градiента вологостi, який в поверхневих шарах тдсилюеться вакуумом (перепадом тиску). Однак, це не дае тдстав фiрмам, що виготовляють ваку-умнi сушарки, стверджувати про !х надзвичайну ефективнiсть - вона фiзично е неможливою. Тривалiсть вакуумного сушшня лише на 20.30 % менша за тривалiсть конвективного.
Висновки. На основi наведеного вище аналiзу ефективноста рiзних способiв сушiння можна стверджувати, що найбшьш дешевим i доступним е конвективне сушiння пилопродукци низькотемпературними режимами. Для досягнення потрiбноi якостi сушiння необхiдно застосовувати постшний контроль за вологiстю матерiалу i розвитком внутрiшнiх напружень.
Л^ература
1. Лыков А. В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 462 с.
2. Билей П. В. Сушка древесины твердых лиственных пород (издание второе). - М.: Экология, 2002. - 224 с.
