СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМОМОДИФИКАЦИИ: ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА: ТЕПЛОЕМКОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 62

Соколов И.В.

аспирант

Уральский государственный лесотехнический университет (г. Екатеринбург, Россия)

СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА,

ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМОМОДИФИКАЦИИ:

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА: ТЕПЛОЕМКОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ

Аннотация: в статье рассматриваются особенности передачи тепла в древесине и определения её тепловых свойств. Рассматривается параметр Теплоёмкость - отдельно для обычной, нетермомодифицированной древесины, обрабатываемой при температуре до 100-120°С (стадия сушки) и для древесины, обрабатываемой при более высоких температурах (стадия термомодифицирования древесины).

Ключевые слова: сушка древесины, термомодифицирование древесины, термодревесина, теплофизические свойства древесины, теплоёмкость древесины.

Особенность определения тепловых свойств древесины заключается в том, что древесина - природный материал, имеющий сложное строение с ярко выраженной анизотропией. Она представляет собой одновременно твердое тело (скелет древесного вещества, стенки клеток), жидкое (вода, находящаяся в свободном состоянии - в клетках, межклеточном пространстве, а также в связанном состоянии - в стенках клеток) и газообразное (паровоздушная смесь в порах древесины).

То есть, передача тепла в древесине происходит всеми тремя способами - теплопроводностью, конвекцией и излучением. Через скелет древесного вещества тепло передается теплопроводностью, через поры -теплопроводностью, конвекцией и излучением одновременно, при этом каждый из компонентов имеет свои тепловые характеристики.

Как известно, основными параметрами, характеризующими теплофизические свойства древесины, являются:

• удельная теплоёмкость с, кДж/(кгград),

• коэффициент теплопроводности X, Вт/(м/град),

• коэффициент температуропроводности а, м2/с.

В этой статье рассмотрим подробнее теплоёмкость древесины.

Удельная теплоемкость с, кДж/(кг^град) - это количество теплоты, необходимое для нагревания 1кг древесины на 10С (1К).

В связи с тем, что в процессе термомодифицирования древесины при температурах от 160 до 260 °С происходят значительные изменения структуры, клеточного строения, химического состава древесины и всех её физико-механических свойств, все параметры теплофизических свойств древесины, необходимые для построения математической модели процесса сушки и последующего термомодифицирования древесины, необходимо рассматривать отдельно - для обычной древесины (при температуре обработки до 100-120°С) и для термодревесины (при обработке более высокими температурами).

Исследованиями теплофизических свойств и, в частности, теплоёмкости, обычной, нетермомодифицированной древесины, занимались многие известные ученые: К.Р. Кантер, Н.М. Кириллов, А.П. Комиссаров, И.В. Кречетов, П.С. Серговский, Г.С. Шубин, Э.М. Щедрина, Б.С. Чудинов, F. Kollmann и многие другие.

Согласно современным воззрениям теплоёмкость многокомпонентных систем, каким является и древесина, подчиняется закону аддитивности. Таким образом, поскольку теплоемкость сухой древесины и воздуха примерно одинакова, удельная теплоёмкость древесины не должна зависеть от их плотности. Этот тезис подтверждается в работе К.Р. Кантера [4], по его мнению, удельная теплоёмкость древесины не зависит от породы и плотности.

Основными факторами, влияющими на теплоёмкость древесины, являются влажность и температура, причем особенно сильно влияет влажность, так как теплоёмкость воды существенно выше теплоёмкости древесного

Международный научный журнал «ВЕСТНИК НА УКИ» № 5 (74) Том 2. МАЙ 2024 г. вещества.

На рисунке 1 приведена диаграмма Г.С. Шубина [7] для определения удельной теплоемкости древесины в зависимости от её температуры и влажности.

Рис. 1. Удельная теплоёмкость древесины в зависимости от её температуры и влажности [164]

Также Г.С. Шубин [8] дает следующие формулы для определения удельной теплоёмкости древесины с, Дж/(кгград), для диапазонов температур:

- 60 °С < 1° < 0 °С: с = 20? + 243м + 2200 (1) 0 °С < 1 < 100 °С: с = 3,5?+3200 - 0,218(130 -100м)228 (2) где X - температура,°С, и - влагосодержание древесины, кг/кг. В работе П.С. Серговского [6] для расчета удельной теплоемкости влажной древесины предлагается выражение:

где сд - удельная теплоемкость древесинного вещества, св - удельная теплоемкость воды, W - абсолютная влажность древесины. При этом удельная теплоемкость древесинного вещества может быть определена в зависимости от температуры по эмпирической формуле Денлопа [8]:

И.В. Кречетов [5] для приближенных расчетов теплоёмкости древесины для любой породы при W > 8 % даёт подобную формулу:

где t - температура древесины, W - абсолютная влажность древесины,

%.

При W< 8% должна быть учтена также теплота адсорбции (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма теплоты адсорбции.

И.В. Кречетов, как и Г.С. Шубин, также приводит диаграмму удельной теплоёмкости древесины всех пород при различной ее влажности и температуре [5] (рис. 3). Например, при влажности W = 100% и t = 60° С теплоёмкость древесины по диаграмме 3,34 кДж/(кг^°С).

Температура

Рис. 3. Диаграмма удельной теплоёмкости древесины [5].

Таким образом, несмотря на некоторые расхождения в значениях показателей теплоёмкости древесины у разных исследователей, этот параметр для диапазона температур до 100-120 °С изучен с достаточной для практических расчетов точностью и данные приведены в справочной литературе.

Определение теплоемкости термомодифицированной древесины

Теплофизические свойства термодревесины на сегодняшний день остаются практически неизученными. За исключением публикаций работ Казанского национального исследовательского технологического университета [1, 3 и др.], в литературе по этому вопросу данных практически нет.

Для экспериментального определения теплофизических свойств термомодифицированной древесины в КНИТУ была разработана установка, схема которой показана на рисунке 4.

На нагревательную поверхность 5 помещается испытуемый образец 2, на который устанавливается бюкса с водой 3. Для регистрации температуры

используют термопары 4, установленные: Т1 - между нагревательной поверхностью и образцом, Т2 - между образцом и бюксой, Т3 - в брюксе, для регистрации температуры дистиллированной воды.

Рис. 4. Схема определения теплофизических коэффициентов термомодифицированной древесины: 1 - теплоизолятор, 2 - испытуемый образец, 3 - бюкса с водой, 4 - термопары с датчиком, 5 - нагревательная поверхность.

Для исследования были выбраны образцы пород древесины разной плотности: сосны (условная плотность 400 кг/м3), березы (условная плотность 500 кг/м3) и дуба (условная плотность 600 кг/м3), с разной степенью термомодификации (термомодифицированные при температурах 180, 200, 220 и 240 °С).

Сущность метода заключается в проведении измерений в режиме монотонного нагрева, представляющем собой плавный разогрев с переменным полем температур внутри образца [3].

При монотонном прогреве нагревательной поверхности 5 до 100 °С тепло от неё передается образцу 2 и далее бюксе с водой 3. Каждые 2 минуты температуру фиксируют при помощи установленных термопар 4.

Исходя из полученных температурных кривых нагрева древесины, определена теплоемкость образцов исследуемого материала См, Дж/(кгК), в

соответствии с ГОСТ 21523.3.1-93 [2] по формуле:

ш0

где тт - время запаздывания температуры в экспериментах с образцом, т т0 - время запаздывания температуры воды в экспериментах без образца, т0 - масса испытуемого образца, Кт - тепловая проводимость тепломера.

Результаты расчетов представлены в таблице и на рисунке 5. Теплоемкость и плотность термомодифицированной древесины в зависимости от температуры обработки.

Температура обработки, К Плотность р, кг/м Теплоемкость С, Дж/(кгК)

Дуб Сосна Береза Дуб Сосна Береза

453 575 426 518 1490 1542 1405

473 546 408 512 1630 1572 1420

493 527 387 503 1685 1590 1509

513 515 370 490 1692 1782 1612

См, Дж/(кг-К) 1700

1600 1500 1400 1300

1200

дуб-^и Г^сосна ■

1 /'__<

■ Г береза

433

453

473

493

513

Тер, к

Рис. 5. Зависимость теплоемкости древесины от температуры обработки.

Для удобства использования результатов исследований, с помощью табличного редактора Microsoft Excel путем аппроксимации экспериментальных точек, были получены уравнения зависимости теплоемкости материала от температуры его термомодифицирования [3]: См (сосна) = 0,1012- Тс2р - 94,117- ТСр + 2349 (7) См (дуб) = -0,0831- Тс2р + 83,604- Тср - 19323 (8) См (береза) = 0,055' Тср - 49,580' Тср + 12575 (9)

На рисунке 6 представлены зависимости теплоемкости термодревесины различных пород от ее плотности. Из представленных кривых видно, что при уменьшении плотности пиломатериалов теплоёмкость возрастает.

с

Дж/(кг*К)

1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400

\

\

\ .сосна дуЬ

4 берез.

J

350 390 430 470 510 550 pMi кг/м'

Рис. 6. Зависимость теплоемкости древесины от ее плотности.

Для удобства решения математической модели процесса термического модифицирования древесины, с помощью табличного редактора Microsoft Excel путем аппроксимации экспериментальных точек были получены уравнения зависимости теплоемкости материала от его плотности [3]:

См (сосна) = 0,1216' рМ - 100,65-рм + 22361 (10) См (дуб) = - 0,0491-рМ + 50,106-рм - 11090 (11) См (береза) = 0,0753-рМ - 83,642'Рм + 24513 (12)

Таким образом, из проведенных П.А. Кайновым исследований можно сделать выводы, что в процессе термомодифицирования древесины:

- при повышении температуры обработки плотность древесины снижается,

- при уменьшении плотности пиломатериалов теплоёмкость возрастает,

- повышая температуру обработки материала можно повысить ее теплоёмкость.

Вывод:

1. Теплоемкость обычной, нетермомодифицированной древесины (то есть, на стадии сушки древесины, в диапазоне температур до 100-120 0С) не зависит ни от породы древесины, ни от её плотности, - а только от текущих показателей её температуры и влажности.

2. При обработке древесины более высокими температурами (стадия термомодифицирования) её теплоемкость зависит от степени термомодифицирования древесины (температуры и времени её обработки) и от ее текущей плотности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ахметова, Д. А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Ахметова Дина Анасовна. - Казань, 2009. - 150 с;

2. ГОСТ 21523.3.1 - 93. Древесина модифицирования. Метод определения теплоемкости. - Введ. 1995-01-01. - М.: Госстандарт РФ: Изд-во стандартов, 1995. - 17 с;

3. Кайнов, П. А. Энергосберегающая технология термического модифицирования пиломатериалов в среде топочных газов: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Кайнов Павел Александрович. - Казань, 2012. - 156 с;

4. Кантер, К. Р. О тепловых свойствах древесины / К. Р. Кантер // Деревообрабатывающая промышленность. - 1957. - № 7. - С. 17-18;

5. Кречетов, И. В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 432 с;

6. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесн.пром-ть, 1981. - 304 с;

7. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины (вопросы теории, методы расчета и совершенствования технологии): дисс. ... д-ра техн. наук / Шубин Григорий Соломонович. - М.: МЛТИ, 1985;

8. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с.

Sokolov I.V.

Ural State Forestry University (Ekaterinburg, Russia)

PROPERTIES OF WOOD AS MATERIAL TO BE DRIED AND THERMOMODIFIED: THERMAL PROPERTIES: HEAT CAPACITY OF WOOD

Abstract: article discusses the features of heat transfer in wood and the determination of its thermal properties. The heat capacity parameter is considered separately for ordinary, non-thermomodified wood processed at temperatures up to 100-120 °C (drying stage) and for wood processed at higher temperatures (wood thermomodification stage).

Keywords: drying of wood, thermomodification of wood, thermal wood, thermophysical properties of wood, heat capacity of wood.