CC BY
62
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ТЕРМОХИМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Платонов А.Д., Курьянова Т.К. (ВГЛТА, г. Воронеж, РФ)
The peculiarities of convection drying in the process of wood drying with high temperature and with absorbing material were examined
Процесс сушки - наиболее длительный и один из самых энергозатратных во всей технологии деревообработки. Поэтому сокращение продолжительности сушки, снижение ее энергозатратности при сохранении качества высушенной древесины всегда были актуальным направлением научных исследований, способствующих решению общей проблемы рационального использования древесных ресурсов.
Сушка древесины представляет собой сложный процесс, закономерности которого определяются одновременным протеканием ряда физических явлений, принадлежащих к классу явлений переноса. Оптимальной считается сушка, при которой скорость продвижения влаги из внутренних слоев приближается к скорости ее испарения с поверхности древесины. В реальных условиях испарение влаги с поверхности происходит быстрее, чем ее продвижение внутри древесины. Именно в достижении интенсивного движения влаги внутри материала (из внутренних слоев к поверхности) заключаются возможности получения высоких технико-экономических показателей процесса сушки пиломатериалов.
При конвективной сушке основной движущей силой является градиент влажности - это перепад влажности по толщине материала, который существенно увеличивать нельзя. Поскольку это приводит к тому, что поверхность древесины быстро достигает равновесной влажности с окружающей средой и влагообмен древесины со средой прекращается. При этом процесс сушки резко замедляется, несмотря на наличие психрометрической разности, и градиента влажности в материале, а в некоторых случаях может прекратиться полностью. Поэтому, чтобы интенсифицировать процесс сушки необходимо повысить скорость перемещения влаги в материале, посредством подключения других градиентов, при одновременном уменьшении интенсивности испарения влаги с поверхности.
В процессе конвективной сушки подвод тепла осуществляется влажным воздухом, характеризующимся значением ф < 1. При этом в пограничном слое в виде элемента термического сопротивления возникает заметная разность температур At, которая и определяет интенсивность теплообмена между средой и телом. В процессе сушки максимальный перепад температуры по сечению пиломатериалов, по исследованиям А.В. Лыкова, Л. Н. Кротова, составляет 2...3 °С. При этом происходит интенсивное испарение влаги из материала. Указанный перепад сохраняется не продолжительное время.
Поскольку при конвективной сушке поверхностные слои древесины довольно быстро достигают равновесной влажности, то температура поверхности материала стремится к температуре среды. Величина A t уменьшается и, соответственно, интенсивность теплообмена снижается. Величина перепада температуры
по сечению материала Л1:' также уменьшается и к концу каждой ступени составляет 0,2...0,4 °С. Это, в свою очередь, приводит к тому, что во внутренние слои древесины поступает недостаточное количество тепла для фазового перехода жидкости в пар и процесс сушки замедляется, несмотря на наличие психрометрической разности и то, что влажность внутри материала еще довольно высокая.
Очевидно, чтобы сократить общую продолжительность при сохранении качества высушенной древесины, необходимо исключить из процесса сушки периоды соответствующие минимальным значениям убыли влаги, когда скорость сушки стремиться к нулю (окончание каждого этапа сушки), а поверхность древесины имеет влажность близкую к равновесной. При этом в материале отмечается большой перепад влажности по сечению. Снизить который возможно, если поддерживать на поверхности более высокую влажность (за счет увеличения ее поступления к поверхности из внутренних слоев и уменьшения интенсивности испарения).
Интенсифицировать процесс конвективной сушки можно путем предварительной обработки древесины растворами гигроскопических веществ. Это позволит использовать известное свойство гигроскопических растворов, заключающееся в способности понижать парциальное давление пара. Если поверхностные слои древесины содержат гигроскопический раствор, а внутренние воду (чистый растворитель), то парциальное давление пара в поверхностных слоях будет меньше парциального давления пара внутренних. Это будет способствовать ускорению продвижения влаги изнутри к поверхности под действием разности парциальных давлений. Эта разность парциальных давлений и вызывает более интенсивный, дополнительный внутренний перенос влаги в материале в виде пара. Потенциал переноса влаги в данном случае может наблюдаться и тогда, когда влажность по всему сечению выше предела гигроскопичности. Эффективность внутреннего переноса влаги будет тем выше, чем выше его способность понижать парциальное давление пара при различных концентрациях и температуре.
Поверхностный слой древесины, пропитанный гигроскопическим раствором, позволит уменьшить интенсивность испарения влаги, поскольку раствор высыхает медленнее, чем растворитель. Так как парциальное давление пара на поверхности не превышает парциального давления пара окружающей среды. Концентрация раствора при испарении растворителя (влаги) постепенно повышается, что еще более затрудняет процесс испарения.
Особенностью протекания процесса конвективной сушки после поверхностной пропитки является то, что испарение влаги с поверхности материала происходит непрерывно с высокой интенсивностью, даже при состоянии обрабатывающей среды близкой к состоянию насыщения.
Анализ структуры элементов, входящих в состав древесины различных пород показывает, что все они в большей или меньшей степени участвуют в процессах водопроводности. Главной же водопроводящей структурой являются сосуды. Остальные элементы, соприкасаясь с сосудами посредством пор, образуют единую, сообщающуюся водопроводящую систему макрокапилляров.
Однако водопроводящую способность сосуды сохраняют, в зависимости от условий произрастания деревьев, от 4 до 12 лет. Утрата водопроводящей способ-
ности сосудов происходит по причине закупорки их тилами. Таким образом, большая часть сосудов водопроводящей системы дуба со временем перестает выполнять свои функции, за исключением заболонной части ствола. Такое исключение большей части сосудов из водопроводящей системы очень сильно затрудняет передвижение влаги по древесине. Отсюда следует, чтобы увеличить интенсивность передвижения влаги необходимо «подключить» к общей водопроводящей системе сосуды, закупоренные тилами.
Тилы - это элементы паренхимной ткани древесины, имеющей весьма тонкую целлюлозную оболочку.
Разрушить стенки тил можно, путем непродолжительного воздействия на них температуры и избыточного давления. Практически достичь этого несложно. Достаточно прогреть древесину до температуры кипения воды. При этом свободная вода в полостях клеток вскипает и превращается в пар, что и создает избыточное парциальное давление по отношению к атмосферному. Этого совместного воздействия температуры и давления достаточно для разрушения тил.
Разрушение тил в сосудах позволит соединить все проводящие элементы в единую систему. Это, в свою очередь, существенно сократит время перемещения влаги из внутренней части пиломатериалов к поверхности. Сокращение продолжительности сушки будет особенно ощутимым в заключительный период, падающей скорости сушки, когда в общем процессе влагопроводности преобладает движение влаги в виде пара.
У древесины пропитанной гигроскопическим раствором перепад влажности между центром и поверхностью на протяжении всего процесса сушки значительно меньше, чем у непропитанной древесины. Незначительный перепад, т. е. более равномерное распределение влаги в материале уменьшит величину внутренних влажностных и остаточных напряжений. Это позволит исключить из технологического процесса сушки промежуточную и конечную влаготеплообработку.
Более высокая влажность поверхности будет иметь температуру близкую к температуре смоченного термометра. Поэтому на протяжении всего процесса сушки будет сохраняться больший перепад температур, а следовательно и более интенсивный теплообмен, который позволяет дополнительно стимулировать ток влаги в материале.
Применение технологии сушки древесины с предварительной термохимической обработкой позволит без существенных капитальных вложений повысить производительность существующих конвективных сушильных камер. Результаты проведения опытных сушек показали полное отсутствие брака. Хорошие результаты получены даже при сушке пиломатериалов с наличием сердцевинной трубки.
Литература
1. Кротов, Л. Н. Исследование процесса комбинированной сушки лиственничных пиломатериалов [Текст] : отчет по хоз. теме / СибТИ. - Красноярск, 1970. - 49 с.
2. Лыков, А. В. Теория сушки [Текст] / А. В. Лыков. - М. : Энергия, 1968. - 328 с.
3. Малеев, В. И. Ускоренная сушка древесины [Текст] / В. И. Малеев, В. А. Баженов // Лесная индустрия. - 1937. - № 9. - С. 65-71.
4. Пат. 2096702 РФ, МПК 6 Б 26 В 3/04. Способ сушки дубовых заготовок [Текст] / Т. К. Курьянова, А. Д. Платонов, В. В. Воронин, А. О. Сафонов ; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. - № 95112874/06 ; заявл. 20.07.95 ; опубл. 20.11.97, Бюл. № 32. - 6 с.
5. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины [Текст] / Б. С. Чудинов. - М. : Наука, 1968. - 255 с.
6. Эзау, К. Анатомия семенных растений [Текст]. В 2 т. / К. Эзау. - М. : Мир, 1980. - Т. 1. - 224 с.; Т. 2. - 225 с.
