CC BY
12
УДК 674.047 Доц. 1.М. Озаршв, канд. техн. наук; тж. З.П. Копинець;
доц. Й.Л. Ацбергер - НЛТУ Украти
МЕТОДИКА ДОСЛ1ДЖЕННЯ КРИТЕР1Ю К1РП1ЧОВА ЯК ОСНОВНОГО КРИТЕР1Ю ТР1ЩИНОУТВОРЕННЯ У ПРОЦЕС1 КОНВЕКТИВНОГО СУШ1ННЯ ДЕРЕВИНИ
Розкрито причини появи трщин у процес сушiння деревини. Наведено методику дослщження критерiю трiщиноутворення у процес сушiння.
Doc. I.M. Ozarkiv; eng. Z.P. Kopynets; doc. Yo.L. Acberher - NUFWT of Ukraine
Methods of Kirpichov's Criterion Research as Basic of Cracks Forming in Convective Wood Drying
Causes of cracks appearance in wood drying have been considered. Methods of cracks forming research in wood drying have been represented.
Дослщження змши структурно-мехашчних властивостей деревини, як об'екта сушшня та структуроутворення у процес сушшня показали, що поява мжротрщин наледить до област пружних деформацш. При цьому, якщо за-лежшсть м1ж напруженням Р i вщносним видовженням близька до лшшно!, то можна записати, що для област пружних деформацш (0 < е < es, де ss - вщ-носне видовження) закон Гука буде мати вигляд (рис. 1)
Р = Е ■ es , (1)
де: Е - модуль пружност (Е = tg у, у - кут нахилу, утворений дотичною до криво! i лтею, що характеризуе область пружних деформацiй); es - вiдносна пружна деформацiя.
Водночас, для област пружно-пластичних деформацiй (е > es)
Р = Ро + Ei ■ е , (2)
де модуль Ei = tg
Утворення трiщин i руйнування структури у процесi сушшня вщбу-ваеться пiд дieю дотичних напружень, а напрям трiщин, !х розмiри та швидюсть утворення залежать вiд спiввiдношення нормальних i дотичних напружень.
Рис. 1. Крива деформацш s при навантаженш та миттевому розвантажент:
еп - повна деформация; епр - пружня деформация; еел - еластична деформация; езал - незворотна залишкова деформация
Нащомальмий лкотехшчний унiверситет УкраТми
Якщо пoявa мiкрoтрiщин нaлежить до oблaстi пружних дефoрмaцiй, то знaчнi лoкaльнi трщини будуть yтвoрювaтися у прyжнo-елaстичнiй (nnacraH-нiй) oблacтi 3a рaхyнoк елacтичних дефoрмaцiй, a рyйнyвaння структури, яке пoв,язaне з утворенням cyцiльних (шс^зних) трiщин, буде проходити в елacтичнiй (плacтичнiй) oблacтi.
Як пoкaзyють дослщження ходу дефoрмaцiй рiзних вологих колощних кaпiлярнo-пoриcтих тiл, ще зaдoвгo до появи трщин у них рoзвивaютьcя зa-лишкoвi плacтичнi дефoрмaцiï.
Руйтвт нaпрyження, як вiдoмo [1], винигають у мaтерiaлi внacлiдoк нерiвнoмiрнoгo (по всьому поперечному перерiзi) вciдaння, яке зумовлене утворенням у мaтерiaлi недопустимих грaдieнтiв вoлoгocтi тa темперaтyри. Причиною, що викликae дефoрмaцiï всдання, e релaкcaцiя внyтрiшнiх шпру-жень у тап^рно-пористт cиcтемi, якa виниле пiд дieю кaпiлярних сил. Це oзнaчae, що сили поверхневого штягу нa yвiгнyтих менicкaх рiдини (води) у кaпiлярaх тiлa будуть cтвoрювaти для рiдини рoзтягyючi нaпрyження; водно-чac у мaтерiaлi (oб,eктi сушшня) виникae дуже cклaдне поле шпружень. Зпд-но з О.В. Ликовим [2], гашлярний тиск рiдкoï фaзи в твердому тiлi е фун-кцieю його вoлoгoвмicтy (внacлiдoк чого поле гапшярних кoнтрaкцiй в iзoтер-мiчних yмoвaх буде пoдiбне до поля вологовмюту, що е основною причиною виникнення oб,eмнo-нaпрyженoгo cтaнy вологого мaтерiaлy у прoцеci сушш-ня). Тому caме як хaрaктериcтикy трщиноутворення в будь-який момент чacy приймaють вiднocнy рiзницю вiдпoвiдних середнього u i лoкaльнoгo u воло-говмюту oб,eктa cyшiння [1], тобто
K = (3)
u0
де u0 - cереднiй пoчaткoвий вoлoгoвмicт, кг/кг. сух. мaтерiaлy.
Як вiдoмo [l], нaвiть при вiднocнo високому середньому вологовмют u у поверхневому шaрi вiдбyвaeтьcя вcихaння. Це oзнaчae, що винигають нaпрyження, якi caме й приводять до утворення поверхневих трщин. Ha цьому етaпi процесу обезводнення мaтерiaлy нaпрyження приблизно пропор-цшт величинi вiльнoгo вcихaння поверхневих шaрiв (ocтaння, по-своему, буде визнaчaтиcя перепaдoм вoлoгoвмicтiв грaницi нacичення urH - i поверхневих шaрiв uiiob мaтерiaлy). Через що, Ha шшу думку, критерieм трщиноутво-рення можта взяти вiднocний перепaд (urH-unoB), вiднеcений до мaкcимaльнo-го вологовмюту деревини, тобто
K = u г н ~ uпов . (4)
umax
Як критерiй трщиноутворення Ha поверхн виcyшyвaнoгo мaтерiaлy можш взяти критерiй Kiрпiчoвa [l] для перенесення вологи Kim, тобто
dW R2
Ki' = l00 • qm • R __R )пов = ITR (5)
m a' •p, • W W a' • W '
m б max max m max
2
де: qm - iнтенсивнiсть випаровування (густина потоку вологи), кг/(м -с);
/ ч dW
(А¥)пов - поверхневий град.ент вологостi бiля поверхш тiла, (AW )пов = ——;
dW
Wmax - максимальна вологiсть деревини, %;--швидюсть сушiння, %/с;
dx
a m - коефщент вологопровiдностi деревини, м2/с; рб - базова густина, кг/м3.
Таким чином, визначивши критерiй Kim для рiзних режимiв сушiння, що викликають появу трiщин, можна встановити максимально допустимий критерш трiщиноутворення Kim max •
Для визначення Kim max ДOцiльно брати взiрцi i3 початковою вологiстю,
вищою за границю насичення клiтинних стiнок, тобто и!>игн (Wi>Wrn). Це по-
яснюеться тим, що найбшьш небезпечним щодо появи трщин на поверхнi е
перший перюд сушiння, оскiльки в цьому перiодi у поверхневих шарах вини-
кають розтягуючi напруження.
Для визначення коефщента вологопровiдностi потрiбно використову-
вати вщповщш формули [3], залежно вщ температури мокрого термометра,
режиму сушшня та породи деревини.
Швидкiсть сушшня приймають за експериментальними кривими
• • Т б dW _ й . .
швидкостi сушшня. Тобто-= N приймаеться для режимiв сушшня, в яких
dx
е перший перюд сушшня (перюд постшно! швидкост сушшня). У випадку,
dW
коли перший перюд сушшня в.дсутнш, то - варто приймати для початку
dx
процесу сушшня.
Максимальну волопсть деревини будь-яко! породи можемо визначати таким чином [4]:
Wmax = (1'5,3Г3Рб) Рв ■ Ю0 %, (6)
1,53 -рв
33
де: рв - густина води, кг/м ; рд.р (рд.р. = 1530 г/см ) - густина деревно! речовини, кг/м3.
Зокрема, значення максимально! вологост деревини при водопогли-нанш для основних порщ деревини становлять [5]: сосни - Wmax = 185 %, смереки - Wmax = 212 %, граба - Wmax = 93 %, дуба - Wmax = 116 %, берези -Wmax = 135 %, топол. - Wmax = 212 %.
Стушнь безпечност режиму .з позици забезпечення збереження цшс-ност деревини при сушшш ощнюемо таким чином. 1з протокол.в дослщжень повинш вщбиратися дослщи, при яких у процес сушшня були виявлеш по-верхнев. трщини. Дал. для них попередньо визначаемо критерш Шртчова. Шсля чого .з прототшв дослщжень вибираемо результати дослщв, як. за дано! температури мокрого термометра мали бшьш м'який режим сушшня. За-уважимо, що бшьш м'яким режимом вважаеться такий режим, в якого значення At = 1с - tn, швидюсть руху агента сушшня та товщина матер.алу е менши-
Нащональний лкотехшчний унiверситет УкраТни
ми nopiBMHO i3 iншим матерiалом. Пiдвищення жорсткост режиму сушiння може здiйснюватися як за рахунок шдвищення психрометрично! piзницi At, так i за шдвищення швидкoстi циркуляцп сушильного агента.
Тoдi, розраховують для piзних безпечних pежимiв сушiння за пос-тшно! температури мокрого термометра (tH = const) кpитеpiй Ki^; за макси-
1-м - —--/ —J——
мально допустимий критерш Kipпiчoва Kim шах приймаеться той кpитеpiй,
■с
який за сво!м значенням найближчий до значення Kim, Що отриманий у пер-шiй сери дoслiджень.
1з формули (5) видно, що, коли tH = сonst, то кoефiцiент вологопровщ-нoстi для будь-яко! породи деревини е постшним [3]
а' = 23,5 • 10-
ш
T i
п.м
273 ,
23 х \ -3,9
Рб 400
см2/ с, (7)
а максимально допустимий критерш Клршчова буде залежати вiд швидкосп dW
сушiння-та товщини матерiалу.
-т
Тому, для рiзних температур мокрого термометра i товщини пиломате-рiалiв можуть бути визначеш значення максимально допустимо! психромет-рично! рiзницi
/ ч 1 (dW ^
= ( - 1М) = -• 10• -w -рб • г• Я, (8)
а
dT
де
максимально допустима швидкiсть пеpioду падаючо! швидкос-
v dT уг
тi сушiння, %/с; г - питома теплота пароутворення (приймаеться за таблиця-ми або розраховуеться за нижче наведеною формулою [3]); R - визначальний S
poзмip (R = S1 - товщина матеpiалу) кДж/кг.
г = 2490 •(l - 0,001 • t м). (9)
а - коефщент теплooбмiну, Вт/(м -°С).
У випадку наявнoстi першого пеpioду сушiння кoефiцiент теплooбмiну приймаеться для цього перюду, а у випадку вщсутност цього пеpioду -приймаеться для дано! початково! вологость Власне, через те, що коефщент а залежить не тiльки вщ паpаметpiв сушильного агента (tс, tH, ф), але й вiд швидкoстi циpкуляцi! (режиму руху) агента сушшня, то максимально допустима психрометрична piзниця At повинна визначатися для piзних значень Rе.
Таким чином, критерш Юршчова Kim шах буде визначатися за величиною змоченого термометра, тобто
Kim, шах = N/W2 = f (tм ). (10)
аш Wmax
Анал.з формули (10) показуе, що за постшно! температури tH i пос-тшного коефщента вологопровщност параметрами, що визначатимуть без-печшсть режиму сушшня .з точки зору утворення поверхневих трщин, на першому еташ другого перюду (перюду падаючо! швидкост сушшня) буде
( dW ^
максимально допустима швидк.сть сушшня - , порода й товщина ма-
V dT /max
тер.алу, що висушуеться. Таким чином, знаючи величину am (за температури мокрого термометра), швидюсть сушшня на першому еташ другого перюду dW
сушшня
dT
i товщину матер.алу, можна завжди визначити величину Kim -
V dT /
Кр.м цього, якщо критерш Kim у процес сушшня буде вищим за зна-чення максимально допустимого критерш Kim max, то можна буде констатува-
ти, що використовуваний режим сушшня е небезпечним щодо виникнення поверхневих трщин у початковш стад.! падаючо! швидкост сушшня. Якщо Kim<Kim max, то режим сушшня е безпечним.
Зауважимо, що в Московському державному ушверситет люу крите-р.ем безпечност вибрано мшмально допустимий стушнь насичення агента сушшня [6, 7]. Тому, буде мати певне защкавлення встановлення залежност мшмально допустимого ступеня насичення агента сушшня вщ його температури мокрого термометра та товщини матер.алу на першому еташ (стад.!) перюду падаючо! швидкост сушшня.
Таким чином, критерш Kim max е критер.ем оцшки утворення поверхневих трщин на першш стад.! перюду падаючо! швидкост сушшня. Тому давати ощнку про рацюнальшсть режиму за його числовими значеннями пов-шстю неможливо, оскшьки сушшня деревини за шдвищено! температури знижуе мщшсть деревини на !! сколювання та розколювання (мщшсть змен-шуеться тим бшьше, чим буде вищою температура !! сушшня та тривалють !! д.! на деревину у процес обезводнення деревини).
Лггература
1. Шостак В.В., Ацбергер Й.Л., Копинець З.П. Вплив режиму сушшня на трщино-утворення деревини// Наук. вюник: Зб. наук.-техн. праць. - Льв1в: НЛТУУ. - 2005, вип. 15.4. - С. 109-114.
2. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 470 с.
3. Озаркчв 1.М., Басалига G.B., Лелюк Д.1. Визначення потенщалу вологопровщносп при конвективному сушшш деревини// Наук. вюник: Зб. наук.-техн. праць. - Льв1в: УкрДЛТУ. - 2000, вип. 10.2. - С. 147-150.
4. Вштошв 1.С., Сопушинський 1.М., Тайш1нгер А. Деревинознавство: Навч. поаб-ник. - Льв1в: УкрДЛТУ, 2005. - 252 с.
5. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине: Справочник. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 296 с.
6. Серговский П.С. О рациональных режимах сушки древесины в воздушных камерах периодического действия// Деревообраб. пром-сть, 1969, № 2. - С. 1-4.
7. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. -
336 с.
