CC BY
16
УДК 674.04 Здобувач В.М. Борисов; доц. 1.Р. Кенс, канд. техн. наук -
НЛТУ Украши, м. Львiв
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФАЗОВОГО СТАНУ ВОЛОГИ В ДЕРЕВИН Д1ЕЛЬКОМЕТРИЧНИМ 1МПУЛЬСНИМ МЕТОДОМ
Розглянуто принцип ди розробленого авторами дiелькометричного 1мпульсно-го методу (Д1М). Описано окремi результати дослiдження цим методом фазового стану вологи в деревиш, показано значення отриманих результата для виршення нагальних проблем деревинознавства. Зокрема визначено межу мжрокашлярно! вологи та 11 залежнiсть вiд температури в дiапазонi 10-90 °С, розраховано кшькост ад-сорбовано! та мжрокашлярнсй вологи на межi гiгроскопiчностi. Описано основш напрями застосування i перспективи розвитку техшчних засобiв i технологи з вико-ристанням Д1М.
Ключовг слова: деревина; вшьна, зв'язана, адсорбована та мжро-кашлярна во-лога, поляризацiя.
Вода - основа життя i найпоширешша речовина на поверхш нашо! планети, що значною м1рою визначае 11 кшмат. Цими важливими ролями на Земл1 вода зобов'язана сво!й мшливосп, багатству структурних форм, уш-кальносп властивостей i чутливосп до умов середовища. Про р1зноман1ття властивостей води свщчить наявнiсть у не! 12 структур льоду i 18 фазових переходiв. Багато властивостей води е винятковими: теплота пароутворення, поверхневий натяг, дiелектрична проникнють, здатнiсть розчиняти... Власти -востi води досi е важливим предметом наукових дослщжень нацiональних та мiжнародних установ.
Усi речовини, ус тiла на Землi взаемодiють з водою. "Нет земного вещества, минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не включало" (академ. Вернадський). Складнютю та штенсившстю вiдрiзняеться взаемодiя води з пористими тшами, до яких належить деревина. 1х загальною власти-вiстю е розвинена "внутршня" поверхня, на якш проявляються особливостi взаемодп твердого тша з рiдиною та газом. Вода не тшьки просочуе твердi ть ла, але i внаслiдок взаемодп змiнюе як !х, так i сво! властивостi. Вивчення взаемодп води з пгроскошчною деревиною, що мае складну багаторiвневу пористу будову i виражену залежнiсть параметрiв вiд умов середовища, особливо актуальне, враховуючи широкий дiапазон температур i вологост 11 ви-користання як еколопчного конструкцiйного матерiалу.
Особливiсть дослiдження взаемодп води з деревиною полягае у необ-хщносп вивчення чутливих до зовшшшх впливiв процесiв у середин твердого тiла. Через складносп постановки дослiдiв питання взаемодп дослщжують бiльше теоретично, нiж експериментально. Нестача достовiрних експеримен-тальних даних призводить до одночасного юнування велико1 кшькосп гшо-тез, що випливають з рiзних теоретичних припущень. Наводимо новi експе-риментальнi результати дослiдження фазового стану води в деревиш i подано деяю теоретичнi оцiнки.
У 1951 р. Takeda, а в 1956 р. Windle i Shaw за допомогою дiелькомет-ричних вимiрювань встановили, що вода в деревиш може перебувати одно-часно в трьох фазових станах, присутнють яких залежить вiд рiвня вологостi
[1]. Шзшше методами ЯМР було шдтверджено наявшсть в деревинi фази твердо! i двох фаз рщко! вологи: зв'язано!, за вологостi деревини в межах 520 %, та вшьно!, за вологостi деревини бiльше 20 %. Цi два методи викорис-товують i зараз для дослщжень стану вологи в деревинi. Вiдомi методи пот-ребують застосування спещального коштовного обладнання, мають малу чутливють, а робота з ЯМР пов'язана ще i з застосуванням дорогих та ра-дiоактивних препаратiв.
Контроль фазового складу води в деревиш у технолопчних процесах не проводиться через вщсутшсть вiдповiдних методик та доступних техшч-них засобiв контролю. Визначення на основi перевiрених експериментальних даних кiлькiсних вiдношень окремих фаз вологи в деревиш ютотно уточнюе та доповнюе встановленi факти i мае велике значення для розвитку теори сорбци. Розроблений метод визначення фазового стану вологи придатний не тшьки для дослщження в лабораторних умовах, але може бути використаний у технолопчних приладах.
Для шюстраци стану та взаемного зв'язку рiзних фаз вологи в деревинi ми пропонуемо кругову дiаграму, один з варiантiв яко! зображено на рис. 1. В основi дiаграми лежать два концентричних кола. Бшьше коло роздiлене вертикальною лшею на зони, що умовно зображають твердий та рiдкий агрегат-ний стан вологи, а горизонтальною лшею на зони вшьно! та зв'язано! вологи. Кожна з цих чотирьох зон конденсованих фаз води граничить з центральною зоною, що меншим колом зображае газоподiбний агрегатний стан води в деревиш - пару. У заданих умовах кожна конденсована фаза води мае свое значення рiвноважного тиску пари. Тиск пари за рiвноважного розподшу вологи е спшьним для ушх одночасно юнуючих форм води в деревиш. На зов-шшньому шформацшному кшьщ вказано умови iснування кожно! конденсо-вано! фази. Якщо до встановлення стащонарного розподiлу вологи тиск пари виявиться меншим за рiвноважну для яко!сь з концентрованих фаз, то шд час встановлення рiвноваги кшьюсть вологи цiе! фази буде зменшуватись за ра-
тверда рщка
тверда Т рщка Рис 1. Кругова дiаграма фаз води в деревиш
хунок випаровування, а за протилежно! умови - збшьшуватись за рахунок конденсацп пари. Залежшсть рiвноважного тиску пари зв'язано! вологи вiд 11 вмiсту в деревиш призводить до встановлення нового стану рiвноваги.
Особливiстю води е можливiсть переходу з будь-яко! конденсовано! фази в пару з поглинанням кшькосп енергп, яка вказана на внутршньому ш-формацiйному кiльцi у секторi кожно! фази в джоулях на грам. Пара так само може перетворюватись у кожну конденсовану фазу з видiленням вказано! кшькосп енергп. Зважаючи на велику рухомють пари та рiзницю парщаль-них тисюв над рiзними фазами, наведена дiаграма демонструе можливi меха-шзми процесiв тепломасоперенесення в деревинi.
Перехщ вологи з одше! концентровано! фази в шшу вiдбуваеться зпд-но з витратами енергп так, шби послщовно вiдбулося два переходи: вихщно! фази у пару та пари у кшцеву фазу. Тобто внаслщок такого переходу буде ви-дшятися або поглинатися енергiя у кшькосп, що дорiвнюе рiзницi енергiй па-роутворення та конденсацп вiдповiдних фаз.
Загальна кiлькiсть фазових переходiв вологи у деревиш дорiвнюе десяти, в кожному з них може вщбуватися перетворення фазового стану у двох напрямках. Таким чином, у деревиш можна видшити 20 процешв, пов'язаних зi змшою фазових сташв вологи. Одночасно можуть вiдбуватися декшька процесiв, наприклад, перехiд вшьно! вологи в адсорбовану, мiкрокапiлярну та пару. Вивчення цих процешв потребуе засобiв контролю кiлькостi вологи у кожнш фазi.
Якщо для задано! температури енерпя пароутворення з вшьно! повер-хнi води становить фiксовану величину, то для зв'язано! вологи ця величина е ще й функщею вологосп деревини i може змшюватись вiд максимального значення для сухо! деревини до рiвня енергп пароутворення з вшьно! повер-хнi води для волого! деревини на границ пгроскошчностг Вiдомi методи дослiдження фазового стану води в деревиш, дiелькометричний та ЯМР, зав-дяки рiзницi сили (енергп) зв'язкiв з твердою речовиною (не тiльки з деревиною) дають змогу визначити наявнють рiзних фаз води. Безперервнi методи ЯМР та дiелькометричний метод визначають силу зв'язкiв за величиною ко-ливань ядер водню та молекул води шд дiею зовнiшнiх сил вщповщно. 1м-пульснi методи ЯМР визначають силу зв'язюв за часом повернення речовини до рiвноважного стану шсля iмпульсного збудження. Розроблений iм-пульсний дiелькометричний метод (Д1М) ощнюе ступiнь зв'язкiв води з твердою речовиною за часом переорiентацil молекул води за змши напруженост зовнiшнього електричного поля, тобто за тривалютю процесу поляризацп. Чим сильшший зв'язок води з твердою речовиною, тим менше у молекул води можливостей переорiентацil, i тим менше часу займае процес поляризацп i навпаки. Вiдповiдно до Д1М, на зразок накладаеться електричне поле, величина якого змшюеться стрибком, а струми поляризацп зразка розкладаються на складов^ вiдповiднi рiзним фазам вологи за значенням стало! часу.
На перших етапах дослщжень визначення параметрiв складових струму поляризацп доцшьно виконувати за допомогою програмних засобiв, що забезпечуе оптимальнi умови для гнучкого пiдбору алгоритмiв, максимальну
точшсть та швидюсть обчислень. Для аналiзу отриманих в експериментах за Д1М результата було пiдготовлено вимiрювальну систему, що включае спе-цiально розробленi давачi та iншi електроннi модул^ вимiрювальнi прилади, програми реестрацп струмiв поляризацп, а також програму видiлення складо-вих струму поляризацп, яка працюе у середовищi Matlab. З набуттям досвщу використання програми i виокремленням набору бажаних для ефективного застосування Д1М параметрiв системи можливо об'еднання необхщних моду-лiв у единому спещатзованому автономному приладi.
Д1М можна розглядати як узагальнений комплексний електричний спошб дiагностики стану вологи в деревиш. Цим способом визначаються величина струму нас^зно! провiдностi матерiалу, як у кондукторних методах, та емшсний струм, як у дiелькометричних методах. Але, крiм того, емшсш струми поляризацп аналiзують за методом максимально! ентропп (МЕМ), як у методi iмпульсного ЯМР, на складовi за ознакою величини стало! часу на струми деревини й адсорбовано! вологи (дуже малi значення стало! часу та<<5 мкс), мжро-капшярно! вологи (50< тмк <200 мкс) та вшьно! вологи (1000< тв <2500 мкс, ус сталi вказанi для t=15-28°С) i визначити амплiтуди струмiв цих складових. Чутливiсть методу дае змогу виявити змiни кожно! фази вологи величиною у вщсотку. Ц можливостi були випробуванi пiд час спостереження процешв, що вiдбуваються тд час намочування деревини i розповсюдження по нiй води.
температура.
Рис. 2. Залежтсть ктькост1 адсорбованог, мжро-каптярноТ вологи та вiдсотка мшрокаптярног на межi лгроскотчностг
Саме висока чутливють Д1М i здатнють розрiзняти фази вологи були використаш для встановлення границ мжрокапшярно! вологи. Експеримен-тально за допомогою Д1М було доведено, що перегин залежносп величини усушки вщ кшцево! вологостi [2] викликаний зникненням у деревинi за воло-гостi меншо! за 15 %% мжрокапшярно! вологи. Аналiз вiдповiдних перегишв iзотерм сорбцп, отриманих з дiаграми рiвноважноl вологостi [3], призводить до аналггичних виразiв, що вiдображають кшьюсть адсорбовано! та мжрока-пшярно! вологи залежно вiд температури i загально! вологосп деревини. На пiдставi аналiзу цих виразiв було виявлено функщональну залежнiсть умов-но! границi капшярно! вологостi (УГ) та отримано аналггачний вираз залеж-
ностi и вiд температури. На рис. 2 у графiчному видi подано залежшсть кшь-костi адсорбовано!, мшрокапшярно! вологи та вщсотка мжрокапшярно! на ме:ш гiгроскопiчностi. Причина розбiжностi отриманих експериментальних даних iз розрахованою Чудiновим кшьюстю мжрокапшярно!' вологи полягае у помилковост його припущення, за яким у деревиш вологiстю 15 % мжро-капшярно!' вологи не може бути [1].
Рис. 3. Волог^ть деревини на УГ i положення перехiдно'i зони
У дослщжуваному дiапазонi температур умовна границя мжрокаш-лярно! вологи (УГ) знаходиться в межах 79±0'7 % вщносно! вологостi повггря, яка зi зростанням температури збшьшуеться. Вiдповiдна вологiсть деревини знаходиться в межах 12,25±2'4 % i зi зростанням температури знижуеться, як показано на рис. 3. Перехщна зона, видшена вертикальними рисками, вщпо-вщае дiапазону вологостi деревини, в якому залежшсть кшькоси мжрокаш-лярно! вологи нелшшно залежить вiд вологостi повггря. Нижче перехщно! зони мжро-капшярна волога в деревинi практично не мютиться.
Використання Д1М дае змогу знайти вщповщ на за питання чи вщ-крити новi можливост та перспективи дослiджень. Так, наприклад, багато ав-торiв, зокрема Б.С. Чудшов, наголошують на тому, що максимальна кшьюсть адсорбовано! та мжрокапшярно! вологи мiститься в деревинi на границ пг-роскопiчностi, а за умови вищого значення вологост деревини ця кшьюсть залишаеться практично незмшною. Результати спостереження за фазами вологи в деревиш за допомогою Д1М спростовують це положення.
На рис. 4 наведено залежност величини амплпуд складових струму поляризацп деревини бука вщ його вологовмiсту. Наведет залежносл пока-зують значне зростання струму мшрокапшярно!' складово! внаслiдок збшь-шення вологостi у понад 30 %. За умови незмшного значення постшно! часу струму поляризацп, його амплпуда пропорцiйна кiлькостi вологи у вщповщ-нiй фазi. Це випливае iз загальних властивостей поляризацп. У цьому випад-ку таку пропорщю можна використати як перше наближення. Можливють уточнення кiлькостi вологи у кожнш фазi за умови змш стало! часу поляризацп зараз дослщжуеться.
На верхньому графiку рис. 4 подано складовi струмiв поляризацп у дь апазонi 14-91,6 % вологост деревини у повздовжньому напрямку. На ньому позначен^ 1скр пров - струм нас^зно!' провiдностi; 1емн1ст - емнiсний струм; I в1ль. но! - струм вшьно!' вологи; 1м-капш - струм мшрокапшярно!' вологи. Максималь-
не зобpaжене на цьому гpaфiкy значення мiкpокaпiляpного стpyмy за 91,6 % вологосп становить 258 мкА. Гpaницю пгроскотчносп на нижньому графь Ry добpе помiтно за точкою пеpегинy графжа стpyмy вiльноï вологи близько 34 % вологост деpевини. Для ща вологостi мiкpокaпiляpний стpyм становить 2,1 мкА, що y 123 paзи менше, нiж за вологосп 91,6 %. Piвень шyмiв y цьому дослщженш добpе помiтний на значно нижчому piвнi, близько 0,23 мкА, якого мiкpокaпiляpний стpyм досягае за вологостi деpевини ^иб-лизно 14 %, а складова вiльноï вологи - за вологостi 34 %.
-300 ■ 250
% 40 30 20 10 0
Рис. 4. Складовi струмы поляризацп деревини
Значне зpостaння кшькосп мiкpокaпiляpноï вологи з pостом кiлькостi вiльноï можна пояснити yтвоpенням частково зв'язaноï деpевиною вологи не тiльки на обмеженш повеpхнi мiкpокaпiляpiв, але i на всш внyтpiшнiй повеp-хш клiтинних стiнок. Там шap piдини на повеpхнi деpевноï pечовини набувае властивостей мiкpокaпiляpноï вологи. Поки ще незpозyмiло, чи збiльшyеться так само кшьюсть aдсоpбовaноï вологи. Отpимaнi вщомосп дасть змогу уточ-нити окpемi положення теоpiï соpбцiï. Дослiдження за допомогою ДIM кшь-кiсних вщношень фаз вологи в деpевинi тшьки почалася. Результати викона-них експеpиментiв дали змогу видiлити питання та вщомосп для пiдготовки наступних бшьш досконалих дослiджень.
Вiдноснi piвнi емнюних стpyмiв та стpyмiв нaскpiзноï пpовiдностi (pис. 4) визначають доцiльнiсть в^овадження кондyктоpних чи дiелькомет-pичних методiв вимipювaння у piзних дiaпaзонaх вологосп. За отpимaними pезyльтaтaми можна pозpaхyвaти величини стpyмiв для заданих кон^^у^т дaвaчiв за piзних pежимiв pоботи вологомipiв, i за величиною цих стpyмiв пpовести оптимiзaцiю методiв, кон^^у^т та pежимiв pоботи вологомipiв.
Нову хapaктеpистикy вологовмiстy деpевини, яку визначае ДМ - стала часу поляpизaцiï вологи, ще досконало не дослщжено. Але за pезyльтaтa-ми вже пpоведених експеpиментiв вiдомо щю ïï зaлежнiсть вiд темпеpaтypи
та напружень в матерiалi. Вивчення цих залежностей може сприяти розвитку методiв контролю температур i внутрiшнiх напружень у середин зразка дере-вини. Зауважимо вплив навантаження на сталу часу поляризацп вологи зразка, як показника штенсивносп взаемоди води i деревини, може пояснити за-лежшсть швидкостi сушiння вiд механiчних напружень [4]. У сукупносп цi явища лопчно пояснюють гiстерезис сорбцп. Докладшше вивчення цих пи-тань методами Д1М потребуе розробки спецiальних експерименпв.Результата проведених дослiджень показали, що змши сталих часу поляризацп вологи у рiзних напрямках тд час сушiння зразка мають ютотш особливостi. Це свiдчить про можливють вивчення структурних аспектiв будови деревини за допомогою Д1М.
Чудiнов Б.С. дшшов до висновку про можливють появи вшьно! вологи в деревиш, внаслiдок конденсацп !! з пари у капшярах розмiром бшьш за 100 нм. Але цей розмiр капiляра було обрано як граничний, виходячи не з властивостей води в деревиш. Чи набувае частина пгроскошчно! вологи властивостей вшьно! води мае вщповюти експеримент, який готуеться зараз до проведення. Важливим, щкавим, але поки що не здшсненим залишаеться роздiлення струмiв адсорбцшно! вологи та деревинно! речовини. Виршення тако! задачi дасть змогу отримати кшьюсну оцiнку адсорбовано! фази вологи та щшьносп деревини. Така оцшка дала б змогу компонувати штабелi пилоп-родукцп за критерiем рiвностi енергетичних витрат i режиму сушшня. Прин-ципово алгоритм отримання таких результапв розроблено, але для експери-ментально! перевiрки досяжно! точностi необхщний час на пiдготовку та проведення численних вимiрювань i дослщжень рiзних порiд деревини.
Для використання позитивних властивостей Д1М у технолопчних про-цесах необхiдно вирiшити конструктивш та технологiчнi питання, почина-ючи з розробки спецiалiзованих приладiв, програми та методики !х повiрки, методики оцшювання стану вологи в деревиш, визначення кшькосп кожно! фази вологи за параметрами струмiв поляризацil i до створення нових техно-логш гiдротермооброблення деревини. Для наукових дослщжень використання Дiм дае змогу провести новi експерименти та уточнити положення.
Л1тература
1. Колосовская Е.А. Физические основы взаимодействия древесины с водой / Е.А. Коло-совская, С.Р. Лоскутов, Б.С. Чудинов. - Новосибирск : Изд-во "Наука". Сиб. отд-ние, 1989, -216 с.
2. ГОСТ 6782.1-75. Пилопродукция из древесины хвойных пород. Величина усушки.
3. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1975.
4. Борисов В.М. Експериментальна перев1рка залежносп електричного опору та втрат вологи вщ мехашчних напружень у процеа сушшня деревини / В.М. Борисов, 1.Р. Кенс, Б.П. Поберейко // Науковий вюник НЛТУ Укра!ни : зб. наук.-техн. праць. - Льв1в : РВВ НЛТУ Укра!ни. - 2012. - Вип. 22.5. - С. 129-138.
Борисов В.М., Кенс И.Р. Исследование фазового состояния влаги в древесине диэлькометрическим импульсным методом
Рассмотрен принцип действия разработанного авторами диэлькометрического импульсного метода (ДИМ). Описаны отдельные результаты исследования этим ме-
тодом состояния влаги в древесине, показано значение полученных результатов для решения неотложных проблем древоведения. В частности, определена граница микрокапиллярной влаги и ее зависимость от температуры в диапазоне 10-90 °С, рассчитано количество адсорбированной и микрокапиллярной влаги на границе гигроскопичности. Описаны основные направления применения и перспективы развития технических средств и технологии с использованием ДИМ.
Ключевые слова: древесина; свободная, связанная, адсорбированная и микрокапиллярная влага, поляризация.
Borisov V.M., Kens I.R. Study of phase of moisture in the timber by the pulse dielcometric method
This article describes the principle of operation developed by the authors dielcometric pulse method (DPM), some results of the research with DPM the state of moisture in wood, shows the importance of the results for the solution of urgent problems of wood science. Specifically defined boundary microcapillary moisture and its dependence on temperature in the range 10-90 °C, the calculated amount of adsorbed and microcapillary moisture for border hygroscopicity. shows the basic directions of application and prospects of technical means and technologies using DPM.
Keywords: wood; free, bound, adsorbed and micro-capillary moisture, polarization.
УДК536.8:621.1 Доц. О.С. Мачуга, канд. ф1з.-мат наук;
студ. В.В. Драбик; студ. М.М. Панасюк - НЛТУ Украти, м. Лье1в
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ РОБОТИ Д1ЮЧО1 МОДЕЛ1 ДВИГУНА СТ1РЛ1НГА
Використання енерги вщновних джерел для потреб лiсозаготiвлi пов'язане з не-обхщшстю перетворення теплово! енерги вщ спалення вiдходiв деревини в мехашч-ну. Виршення такого завдання можливе зокрема за умови використання теплово! машини - двигуна Спрлшга. Подано результати експериментальних дослщжень ре-жимiв роботи та визначення деяких параметрiв моделi такого двигуна. Ц результати можна надалi використовувати шд час розроблення та впровадження енергетичних комплекшв, пов'язаних iз вщновними джерелами.
Ключовг слова: енерпя вщновних джерел, двигун Спрлшга, експеримент.
Вступ. Ефективне використання енерги вщновних джерел передбачае споживання 11 не тшьки у вигляд1 тепла для опалювання виробничих та жит-лових примщень, але 1 як заиб забезпечення мехашчною енерпею машин та обладнання, зокрема у люовш промисловосп [1]. Це зможе привести як до покращення еколопчного стану довкшля, так 1 до здешевлення продукцл, ос-кшьки актуальш енергетичш засоби з невщновних джерел - рщю палива та електроенерпя, добут шляхом спалення вугшля чи природного газу, пере-роблення нафти або внаслщок ядерно! реакци - частково або повнютю можна замшити енергетичними засобами вщновних джерел: бюмаса (вщходи л1со-загот1вл1 та люоперероблення) та пдроресурси малих р1чок [2, 3]. Один 1з напрям1в перетворення теплово! енерги згоряння бюмаси в мехашчну енер-пю - використання теплових машин, пов'язаних 1з термодинам1чним циклом Спрлшга.
Основний виклад. Об'ект дослщження - д1юча модель двигуна Спрлшга акустичного типу (рис. 1).
