CC BY
17
УДК 674.043
П. А. Кайнов, Р. Т. Хасаншина, М. В. Шулаев
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: древесина, водопроницаемость, сушка, вакуум, оптимизация процесса.
Для определения коэффициента молярного переноса в области высоких влагосодержаний были проведены экспериментальные исследования по водопроницаемости древесины. Полученные результаты научной обработки экспериментальных данных позволяют оптимизировать процесс вакуумной сушки древесины.
Keywords: wood, permeability, drying, vacuum, process optimization.
To determine the molar transfer coefficient in a high moisture were conducted ex-perimental studies permeability of the wood. The obtained results of scientific processing of the experimental data allow to optimize the process of vacuum drying of wood.
Для определения коэффициента молярного переноса в области высоких влагосодержаний были проведены исследования по водопроницаемости древесины с помощью экспериментальной установки, схема которой представлена на рис. 1. Установка и методика определения водопроницаемости древесины аналогичны стандартизованным и описанным в литературе [1-4].
Представленная экспериментальная
установка состоит из цилиндрического корпуса 1 с резьбовой крышкой 2, на которой с помощью резинового уплотнителя 3 и пробки 4 закреплена стеклянная трубка 5. Образец древесины 6, подготовленный аналогично описанным выше исследованиям, зажимается между внутренним кольцом 7 корпуса 1 и крышкой 2. Для герметичности соединения используются кольцевые резиновые прокладки 8. Далее в образованную над образцом полость через стеклянную трубку 5 заливают дистиллированную воду, а сверху небольшой слой масла, который необходим для предотвращения испарения воды во время опыта.
Рис. 1 - Установка для определения водопроницаемости древесины
Высота столба воды в трубке должна быть равна 1000±3 мм (гидростатическое давление составляет 10 кПа). Количество воды, поглощенное древесиной и прошедшее через образец, определяется по перемещению мениска в градуированной (цена деления 0,2 см3)
трубке 5 на границе вода-масло.
Поскольку особенно большая интенсивность расхода воды наблюдается в первые 4-6 суток измерения сначала проводили через 10-12 ч, а затем через каждые 2-3 суток. После каждого измерения в трубку доливали воду до первоначальной отметки. Испытания продолжались до тех пор, пока не установится постоянный суточный расход воды, т.е. разность между результатами двух последовательных измерений не будет превышать 0,2 см3 в сутки. По окончании опыта определялись влажность образца и его средняя толщина. Основным искомым показателем проводимого эксперимента было определение количества воды, прошедшее через образец толщиной 8 в сутки при установившемся состоянии [5, 6].
Обработка результатов исследований проводилась по следующему выражению
Vps Vs
k = —--=-
p Fr AP 1696
(1)
Результаты экспериментальных исследований древесины заболони сосны при радиальном токе влаги представлены в виде графических зависимостей коэффициента молярного переноса от средней по сечению температуры (рис. 2). Представленные зависимости получены с помощью табличного редактора Microsoft Excel путем аппроксимации экспериментальных точек функцией "Линия тренда" [7, 8, 9].
Анализ зависимостей коэффициента молярного переноса от средней по сечению температуры образца (рис. 2) показывает, что с ростом температуры значения коэффициента возрастают, что может объясняться снижением вязкости движущейся внутри древесины жидкости. Анализ влияния начальной влажности образца на коэффициент молярного переноса указывает на снижение значений коэффициента при уменьшении влагосодержания древесины [10-12].
Для удобства использования результатов исследований с помощью прикладной программы TableCurve 3D v 4.0.01 было получено уравнение поверхности, аппроксимирующей экспериментальные данные по коэффициенту молярного переноса заболони сосны при радиальном токе влаги
в зависимости от температуры и влагосодержания древесины
k р
0,7538 Т + 0,00103 Т2 + 2,66907 + U 0,00292 T 2,01866 U + 2,30844 + U2
10
(2)
kr х 10 9, c
293
313
333
Т, К
Рис. 2 - Экспериментальные данные исследования коэффициента молярного переноса заболони сосны при радиальном токе влаги в зависимости от средней по сечению температуры образца (начальная влажность «50 %)
Уравнение адекватно описывает характер изменения коэффициента молярного переноса при изменении температуры в пределах 293 - 333 К и влагосодержания в диапазоне 0,4 - 0,7 кг/кг (r2 = 0,9998657, DF Adj r2 = 0,9989261, Fit Std Err = 0,1539881637, F-value = 2482,87). Графическое представление полученной поверхности показано на рис. 3 [12].
Рис. 3 - Трехмерное представление аппроксимации результатов экспериментальных исследований коэффициента молярного переноса заболони сосны
Заключение
Исследования, проведенные для некоторых других пород, показали, что на движение влаги в древесине под действием градиента давления существенное влияние оказывает плотность образца. Так, эксперименты над твердыми лиственными породами древесины, в частности, дубом позволили сделать вывод о значительном снижении значения коэффициента молярного переноса по сравнению с древесиной сосны.
© П. А. Кайнов - канд. техн. наук, доцент каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, [email protected]; Р. Т. Хасаншина - магистр той же кафедры, [email protected]; М. В. Шулаев - д-р техн. наук, проф. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected].
© P. A. Kainov - candidate of technical sciences, associate professor of "Architecture and design of wood" KNRTU, [email protected]; R. Т. Khasanshina - master student of the department "Architecture and design of wood" KNRTU, [email protected]; M. V. Shulaev -Doctor of technical sciences, professor department of chemical cybernetics KNRTU, [email protected].
Литература
1. Хасаншин, Р.Р. Математическая модель конвективной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казан. технол. унта. - 2005. - № 1. - С. 266-268.
2. Сафин, Р.Р. Обзор современных решений сотрудников ФГБОУ ВПО «КНИТУ» в области техники и технологии сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, П. А. Кайнов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2013. - № 23. - С. 76-78.
3. Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов: Монография / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов. - Казань: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2009 г.
- 260 с. - ISBN 978-5-7882-0770-4.
4. Хасаншин, Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2010. - № 9. - С. 116-117.
5. Сафин, Р.Р. Математическая модель процесса конвективной сушки пиломатериалов в разряженной среде / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Известия Высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2006. -№ 4. - С. 64-71.
6. Хасаншин, Р.Р. Исследование режимов сушки в ваку-ум-осциллирующей установке / Р.Р. Хасаншин, Ш.Р. Мухаметзянов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.
- № 6. - С. 207-211.
7. Патент № 2425305 Российская Федерация, МПК В27Ш/28. Способ сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2010108198/06; заявл. 04.03.2010; опубл. 27.07.2011. - 10 с.
8. Патент № 2425306 Российская Федерация, МПК F26B9/06, F26B5/04. Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009143195/06; заявл. 23.11.2009; опубл. 27.07.2011. - 6 с.: ил.
9. Сафин, Р.Р. Новые подходы к совершенствованию вакуумно-конвективных технологий сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин, П.А. Кайнов // Деревообрабатывающая промышленность. - 2005. -№ 5. - С. 16-18.
10. Сафин, Р.Р. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вестник Московского госуд. ун-та леса - Лесной вестник. 2010. - № 4.
- С. 95-98.
11. Razumov, E.Y. Studies on mechanical properties of composite materials based on thermo modified timber / E.Y. Razumov, R.R. Safin, Stefan Barcнk, Monika Kvietkov, R.R. Khasanshin // Journal "Drvna industrija" ("Wood industry") 64(1) 3-6 Zagreb, CROATIA, 2012, P. 3-8.
12. Сафин, Р.Р. Снижение расхода энергии на проведение процессов сушки древесины посредством вакуумно-конвективной технологии / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Гильмиев // Деревообрабатывающая промышленность. М. - 2008. - № 5. - С. 22-23.
9
