Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследования
1.1 Сведения значение при сушке о строении древесины лиственницы, имеющие
1.2 Эффективность технологии сушки лиственничных пиломатериалов в
1.3 Перенос влаги в древесине лиственницы при сушке
1.4 О режимах сушки лиственничных пиломатериалов
1.5 О методах измерения влагосодержания древесины исследовательской деятельности
1.6 Выводы по первой главе при сушке
2 Анализ явлений массопереноса в лиственничных пиломатериалах
2.2 Кинетика сушки лиственничных
2.1 Движущая сила переноса влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке пиломатериалов низкотемпературными режимами
2.3 Трансформация проницаемости древесины лиственницы при сушке низкотемпературными режимами
2.4 Перенос водного раствора экстрактивных веществ через межклеточную мембрану древесины лиственницы
2.5 Выводы по второй главе
3 Исследование особенности процесса сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами 38
3.1 Избыточное давление в лиственничных пиломатериалов при сушке 71
3.2 Экспериментальное изучение полей влагосодержания в лиственничных пиломатериалах при сушке 98
3.3 Факторный анализ кинетики сушки лиственничных пиломатериалов 115
3.4 Выводы по 3-й главе 135
4 Технологические основы конвективной сушки лиственничных пиломатериалов 138
4.1 Влияние структуры низкотемпературных режимов сушки лиственничных пиломатериалов на интенсивность удаления воды 139
4.2 Совершенствование технологии проведения начального прогрева лиственничных пиломатериалов 145
4.3 Эффективность мероприятий по снижению перепада влагосодержания по сечению доски в процессе сушки лиственничных пиломатериалов 147
4.4 Эффективность мероприятий, направленных на выравнивание влагосодержания в пиломатериалах на завершающей стадии сушки 151
4.5 Технология поддержания в сушильной камере степени насыщенности воздуха при сушке лиственничных пиломатериалов
4.6 Промышленный эксперимент по проверке эффективности предлагаемых режимов сушки лиственничных пиломатериалов 158
4.7 Качество сушки лиственничных пиломатериалов после сушки предлагаемыми режимами 164
4.8 Выводы по 4-й главе 180
5 Расчт экономической эффективности предлагаемых мероприятий 182
5.1 Расчт энергетических затрат при сушке лиственничных пиломатериалов на испарение воды с поверхности досок 185
5.2 Расчт экономии тепловых затрат, направленных на поддержание режимных показателей при сушке лиственничных пиломатериалов 187
5.3 Коэффициент экономической эффективности предлагаемых мероприятий при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов
5.4 Выводы по 5-й главе .
Заключение .
Библиографический
- Перенос влаги в древесине лиственницы при сушке
- Движущая сила переноса влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке пиломатериалов низкотемпературными режимами
- Факторный анализ кинетики сушки лиственничных пиломатериалов
- Эффективность мероприятий по снижению перепада влагосодержания по сечению доски в процессе сушки лиственничных пиломатериалов
Перенос влаги в древесине лиственницы при сушке
В древесине лиственницы преобладают капилляры, диаметры которых находятся в пределах от 0,2 мк до 0,5 мм [170]. Относительно небольшой объем пор в древесине лиственницы составляют трахеиды, внутренние диаметры которых менее 0,2 мк. Авторы указывают, что наличие системы открытых микрокапилляр различного диаметра предопределяет существование капиллярных явлений, которые характеризуются силами поверхностного натяжения. Кроме пористости объмной для древесины лиственницы, как и для других пород, характерна поверхностная пористость, которая определяется отношением площади, занимаемой порами, ко всей площади поперечного среза древесины. Данный показатель в древесине лиственницы существенно отличается в зонах ранней и поздней древесины: поверхностная пористость ранней в 2,8 … 3 раза выше, чем у поздней древесины [25].
К категории малоизученных вопросов следует отнести влияние химического состава древесины лиственницы на процессы влагопереноса при сушке. При этом влияние химического состава на сушку лиственничных пиломатериалов очевидно. Данной проблеме в настоящей работе будет уделено значительное внимание.
Древесина лиственницы состоит из 50 % углерода, 6,3 % водорода и 43,7 % кислорода и азота. Основная масса древесины лиственницы – целлюлоза (составляет (35 … 50) %) и лигнин ((20 … 30) %). Гемицеллюлозы (пентозаны и гексозаны) составляют 10 % и более. Значительный объм в древесине лиственницы занимают водорастворимые вещества ((4,5 … 30) %) [29]. Главную часть их составляет легко извлекаемый из древесины горячей водой полисахарид — арабогалактан, обладающий клеящими свойствами. Содержание его в древесине колеблется в широких пределах. Основная масса арабогалактана содержится в периферийной части ядра лиственницы, где количество водорастворимых веществ доходит до 30 %. В заболони он встречается в количестве 1-2 % [8], [31], [89]. Содержится также некоторое количество веществ, растворимых в эфире, спирте.
Танниды (дубильные вещества) имеются в древесине лиственницы в значительном количестве. Они не входят в клеточную структуру древесины, а являются содержимым клеток. Более всего таннидов (по различным данным до 14-17 %) находится в коре лиственницы. В растущем дереве лиственницы танниды играют защитную роль, предохраняя е от поражений грибами и насекомыми.
Химический состав древесины лиственницы свидетельствует о том, что поступающее в деревообрабатывающие производства сырье, заготовляемое в спелых и перестойных насаждениях, имеет ядровой древесины в общей массе до 80-88 %, заболонной - 12-20 %, средняя ширина годичного слоя - 0,8 - 0,9 мм, содержание целлюлозы - около 40 %, лигнина - 25-26 %, водорастворимых веществ - 15-17 % [23].
Смола в древесине лиственницы играет защитную роль, не входит в состав ее клеточной оболочки, а содержится в смоляных ходах (рисунок 1.4). Содержание смолы колеблется в широких пределах, особенно много ее в комлевой части. На 1 м3 свежей заболони приходится в среднем смолы, кг: у сосны - 21,1, у лиственницы - 18,3, у ели - 9,4, у пихты - 3,2. Имеются данные, что в смолистых выделениях из пораженной древесины лиственницы содержится ларицирезинол -вещество, повышающее ее биостойкость.
При обработке лиственничных пиломатериалов большое значение имеет наличие и распространение различных смоловместилищ. Встречаются смоляные кармашки (рисунок 1.6) и метиковые трещины, заполненные некристаллизующейся живицей.
Распределение смоляных кармашков (рисунок 1.6) по поперечному сечению среза ствола неравномерное. Они могут располагаться близко к периферии и при снятии коры видны в виде вздутий. Основная масса кармашков расположена в пределах 2 см от камбиального слоя. Здесь их количество составляет 68 %, то есть в пределах заболонного кольца их расположено большинство. На глубине 2-4 см от поверхности встречается 19,3 % от общего количества смоляных кармашков, на глубине 4-6 см - 4,9 %; 6-8 см - 2,4 %; 8-10 см - 1,7 %. С дальнейшим движением к оси бревна количество смоляных кармашков продолжает уменьшаться и составляет на двухсантиметровых участках лишь доли процента [23]. Древесина лиственницы относится к породам, в которой вода распределяется неравномерно как по диаметру ствола, так и по его высоте. У основания ствола влагосодержание заболони составляет 90 - 110 %; на периферии ядра - 40% с постепенным повышением процента по направлению к сердцевинной трубке, где оно увеличивается до 50%. На половине высоты ствола влагосодержание заболони – 110-120 %, в ядре достигает 60 % [170]. В среднем влагосодержание ядра колеблется на уровне 50%, а влагосодержание в заболони -около 110%.
Анализ по вопросу влагосодержания в древесине лиственницы, который приведн в источнике [170] указывает на то, что максимальное влагосодержание может быть определено исходя из условия заполнения всех имеющихся в древесине пор водой. В результате, теоретически максимальное количество воды составляет Wmax = (114 … 139) %. Практически, по данным В. П. Левченко Wmax = (50 …63) % [91], С. И. Ванина – (100 ... 120) %.
Вывод, который следует из анализа, указывает на то, что практически древесина лиственницы никогда не достигает теоретически максимального влагосодержания даже после длительного пребывания под водой, так как имеющийся в макро- и микрокапиллярах древесины воздух не может быть полностью растворен в воде и удален из древесины. Поэтому незначительная часть пор остается все-таки не заполненной водой [170].
Одним из ключевых вопросов при изучении процессов сушки является такой показатель, как влагопроводность древесины лиственницы. Под влагопроводностью понимается способность древесины пропускать сквозь себя воду. Влагопроводность древесины зависит от многих факторов, особенно от породы [170]. Лиственница относится к ядровым породам. Поэтому наблюдается большое различие влагопроводности ядровой и заболонной частей.
Особенно низкая влагопроводность наблюдается в ядровой зоне древесины лиственницы. Данный эффект объясняется анатомическими и химическими изменениями, происходящими в лиственнице при превращении заболони в ядро, которые затрудняют прохождение жидкостей и газов сквозь древесину [170].
Движущая сила переноса влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке пиломатериалов низкотемпературными режимами
Более быстрый подъм температуры в периферийных слоях доски создат условия формирования избыточного давления в первую очередь в этой зоне. В дальнейшем наблюдается снижение избыточного давления в указанной зоне по сравнению с центральной. Данный эффект происходит за счт реализации возможности удаления парогазовой смеси в сушильное пространство камеры.
Наполнение микрополостей парогазовой смесью приводит к вытеснению содержимого древесины. Результатом вытеснения является удаление не только воды, но также и экстрактивных веществ из доски. На поверхности доски происходит разделение содержимого клеток на отдельные компоненты – парогазовая смесь и вода удаляются под действием массообменных процессов, а экстрактивные вещества скапливаются, формируя слой определнной толщины (рисунок 2.3).
Таким образом, в древесине лиственницы при сушке для создания избыточного давления выполняются два основных условия: наличие «компрессора», которым является сама древесина и микрополости, стенки которых трудно проницаемы.
Из вышеприведнного анализа специальной литературы по вопросу силы переноса следует вывод о том, что процесс конвективной сушки лиственничных пиломатериалов протекает при избыточном давлении в центре доски. Поэтому массоперенос, который происходит в древесине лиственницы при сушке, следует рассматривать как бармембранный.
Как указывалось ранее, современная теория сушки основывается на аналогии законов теплопроводности [169], что предполагает открытость влагопроводящей системы древесины вообще и лиственницы в частности [170]. Изменение среднего значения влагосодержания материала, температуры и скорости сушки позволяет рассматривать весь цикл удаления воды из пиломатериалов в виде трх основных периодов (рисунок 2.4): прогрева (АВ кривой 1), периода постоянной скорости сушки (ВС кривой 1), периода падающей скорости сушки.
Каждый период характеризуется определнным температурным уровнем, скоростью сушки. В период прогрева происходит подъм температуры древесины до уровня первой ступени сушки. Период постоянной скорости сушки характеризуется некоторым равновесием процессов влагопереноса и влагообмена, что предопределяет температуру древесины на уровне значений смоченного термометра. В период падающей скорости сушки наблюдается постепенный подъм температуры древесины, асимптотически приближается к уровню показаний сухого термометра [132]. Графическое дифференцирование кривой влагосодержания позволяет построить график скорости сушки по периодам (рисунок 2.5). Предполагается, что в период прогрева график изменения скорости удаления воды независимо от вида материала одинаков. Такая закономерность объясняется процессами, которые происходят только на поверхности материала.
Первый период сушки является логическим продолжением прогрева материала. В этот период скорость сушки определяется массообменными процессами, так как влагосодержание материала больше гигроскопического, пар у его поверхности является насыщенным (рм=рп) и соответствует температуре мокрого термометра tм.
Предполагается, что в этот период происходит интенсивное поступление воды из внутренних слоев материала к его поверхности. Скорость поверхностного испарения влаги из материала может быть принята равной скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости [75].
Наиболее сложным и трудно прогнозируемым периодом считается второй, когда определяющее значение для скорости процесса приобретает внутренняя диффузия воды. Кривые (1-4), соответствующие падающей скорости сушки, могут иметь различную конфигурацию. Конфигурация кривой скорости сушки во многом зависит от среды, в которой происходит диффузия воды. Значительное влияние на конфигурацию кривых оказывают такие внешние факторы, как повышение температуры и увеличение скорости сушильного агента, понижение его относительной влажности и барометрического давления.
Кривые распределения влагосодержания в сосновых пиломатериалах в процессе сушки (рисунок 2.6) указывают на корректность вышеприведнного подхода. Влагопроводящая система древесины сосны может рассматриваться как открытая. Поэтому можно говорить о некотором влиянии влагообменных процессов на влагоперенос в самой древесине. Фиксируется небольшое превышение интенсивности влагообменных процессов относительно влагопереноса.
Углубление фронта изменения содержания воды носит плавный характер, что указывает на постоянство значения такого показателя как влагопроводность. Замедление интенсивности вывода воды, которое наблюдается при сушке сосновых пиломатериалов, следует объяснять увеличением общего сопротивления среды, в которой происходит влагоперенос.
Механизм удаления воды из лиственничных пиломатериалов в процессе сушки принципиально отличается от сосновых. Такой вывод основывается на результатах опытных сушек (рисунок 2.7) [81]. В начальный период сушки перепад влагосодержания в периферийной зоне доски достигает W 36%, что указывает на существенное превышение интенсивности влагообменных процессов над скоростью переноса воды в самой доске. Наличие точек перегиба на кривых распределения воды, которые наблюдаются на начальном этапе сушки лиственничных пиломатериалов, указывает на резкое изменение влагопроводящих характеристик древесины.
Всю продолжительность сушки лиственничных пиломатериалов следует рассматривать как сумму двух периодов: интенсивный и замедленный [170]. Указанная закономерность наблюдается независимо от режима сушки и толщины доски. Отмечается, что в течение первых двух суток содержание воды снижалась на 20%, а в дальнейшем интенсивность удаления снижалась до 2 - 3% в сутки.
Факторный анализ кинетики сушки лиственничных пиломатериалов
Способ измерения избыточного давления. Данный вопрос имеет принципиальное значение для получения достоверной информации об объекте исследования, которым является лиственничная доска. Многочисленные визуальные наблюдения за высушиваемыми пиломатериалами, которые проводились в процессе сушки, показали, что интенсивность удаления воды из древесины лиственницы – величина переменная. Следовательно, движущая сила или сопротивление системы величины переменные.
Однако данные по интенсивности эмиссии парогазовой смеси (таблица 3.1), полученные ранее, позволяют сделать вывод о том, что движущая сила в исследуемом интервале температур – величина постоянная. Из этого следует, что основной фактор, посредством которого устанавливается избыточное давление, это сопротивление среды в целом, а не отдельно взятого микроканала.
Парогазовая смесь при нагреве древесины образуется в равной степени по всему объму доски, которая представляется в виде некоторого замкнутого пространства. Стенки этой области становятся проницаемыми при определнных условиях. Поэтому при изучении особенности протекания процесса сушки целесообразно обратить внимание на проницаемость древесины лиственницы по периметру доски.
Для измерения давления в центре доски предварительно создавался макроканал, размеры которого составляли: диаметр - d = 3 мм; длина - l = 5 мм. В полученный канал вставлялась медная трубка (п. 4, рисунок 3.6), которая соединялась с преобразователем избыточного давления ПД 100-Ди-0,5, техническая характеристика которого представлена в таблице 3.5. Герметичность соединения обеспечивалась резьбовым соединением штуцера (п. 8, рисунок 3.6).
Отличительные особенности такого типа датчиков – это возможность измерять давление газовой среды, высокая точность измерения, необходимый диапазон рабочих температур -40 … 95 С, высокая степень наджности, а также возможность работы в паре с измерителем-регулятором ТРМ 138.
Для измерения температуры среды были задействованы термопреобразователи сопротивления. Техническая характеристика представлена в таблице 3.6. Термопреобразователи (датчики температуры) предназначены для непрерывного измерения температуры различных рабочих сред (например, пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.), не агрессивных к материалу корпуса датчика. Таблица 3.5 – Технические характеристики датчиков давления ПД100-Ди
Измеритель-регулятор ТРМ 138 предназначен для построения автоматических систем контроля и регулирования производственных технологических процессов в различных областях промышленности. Технические характеристики прибора, которые представлены в таблице 3.7, позволяют осуществлять контроль одновременно как за давлением в центре доски, так и за температурой в сушильной камере, в центре образца и на поверхности.
Таким образом, полученный сигнал с термопреобразователя сопротивления или преобразователя избыточного давления, отображается на встроенном светодиодном четырхразрядном цифровом индикаторе, а также осуществляет передачу на компьютер (рисунок 3.6, п. 12) информацию о значениях контролируемых датчиками величин.
На рисунке 3.7 приведн фрагмент сушки лиственничной доски на установке, схема которой показана на рисунке 3.6. Программа на ПЭВМ была настроена таким образом, что в базе накапливались данные по измеряемому параметру через каждые 10 мин. Учитывая длительность процесса сушки лиственничных пиломатериалов, продолжительность которых составляет сотни часов, указанный интервал времени в полной мере характеризует особенности его протекания.
Ввиду недостаточной изученности рассматриваемого вопроса, применялись однофакторные активные эксперименты, последующая обработка которых позволила получить исчерпывающую информацию.
Влияние температуры на формирование давления в центре доски. На рисунках 3.8 … 3.10 результаты экспериментальных сушек при различных температурах в начальный период сушки лиственничных пиломатериалов, соответственно, при tc = 44, 55, 720С.
Полученные экспериментальные данные дают основание утверждать о том, что величина избыточного давления, а значит и проницаемость древесины лиственницы при сушке зависит от температуры агента сушки.
Пониженное значение избыточного давления в первые часы сушки (рц = 10 … 20 кПа) предполагает повышенное значение проницаемости за счт невысокого сопротивления среды, в которой происходит массоперенос. Повышенное значение проницаемости способствует накоплению в поверхностных слоях доски экстрактивных веществ в относительно короткие сроки. Следовательно, при повышении температуры агента сушки наблюдается более интенсивное вытеснение экстрактивных веществ [87].
Результаты экспериментов (рисунок 3.11) показали, что сформированный на поверхности доски слой экстрактивных веществ очень чувствителен к изменению температуры агента сушки. Так, повышение температуры агента сушки практически мгновенно приводит к повышению давления в центре доски. На возможность образования полимерной плнки на поверхности доски, которая существенно снижает проницаемость влагопроводящей системы древесины в целом, указывает микрофотография (рисунок 3.12), на которой представлены экстрактивные вещества в закристаллизованном состоянии.
Эффективность мероприятий по снижению перепада влагосодержания по сечению доски в процессе сушки лиственничных пиломатериалов
Снижение тепловых затрат при сушке лиственничных пиломатериалов как за счт сокращения срока сушки, так и за счт других мероприятий относится к наиболее значимым проблемным вопросам деревообработки. Для этого необходимо выстраивать режимы сушки таким образом, чтобы поставленная задача (сокращение тепловых потерь) имела бы положительное решение при условии выполнения качественных показателей.
Теоретические положения, выдвинутые в работе и подтвержднные экспериментальными исследованиями, позволяют сформулировать новые технологические подходы к процессу сушки лиственничных пиломатериалов.
Установлено, что влагоперенос в лиственничных пиломатериалах при сушке низкотемпературными режимами осуществляется за счт избыточного давления, которое формируется парогазовой смесью в центре доски.
Получил экспериментальное подтверждение тот факт, что в процессе сушки лиственничных пиломатериалов из центра доски к периферии перераспределяется вода и экстрактивные вещества. В результате происходит набухание экстрактивных веществ, находящихся в поверхностных слоях доски за счт удержания воды, которая выделяется из древесины. При определнных условиях наблюдается явление коллапса экстрактивных веществ, которое сопровождается вытеснением воды на поверхность доски.
Явление коллапса сопровождается не только вытеснением воды, но также изменением агрегатного состояния экстрактивных веществ. Таким образом, формируется полимерная плнка, которая блокирует удаление воды из центра доски, что приводит к увеличению срока сушки лиственничных пиломатериалов в 2,5 … 3,0 раза по сравнению с сосновыми.
Увеличение срока сушки происходит за счт скачкообразного снижения удельной скорости сушки по причине образования полимерного слоя.
Образованию полимерной плнки предшествует период повышенного значения удельной скорости сушки. В этот период в поверхностных слоях доски происходит накопление экстрактивных веществ. При этом время наполнения зависит от режима сушки (экстрагирования) на начальном этапе. Следовательно, от структуры режима в начальный период сушки зависит время формирования полимерной плнки.
На основании вышесказанного формулируется цель данной главы: разработать структуру режимов сушки лиственничных пиломатериалов, применение которых снизило бы до минимума негативное влияние экстрактивных веществ.
Влияние структуры низкотемпературных режимов сушки лиственничных пиломатериалов на интенсивность удаления воды В настоящее время широкое применение получила трхступенчатая структура низкотемпературных режимов сушки пиломатериалов, которая зафиксирована в виде ГОСТа 19773-84 «Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия». В стандартизированных режимах температурные параметры изменяются по ступеням по восходящей закономерности.
В специальной литературе [98] описывается диаметрально противоположный подход к структуре режимов сушки пиломатериалов, когда температурные параметры по ступеням построены по нисходящей закономерности. В результате формируется сушка древесины с цикловым прогревом. По мнению разработчиков данного метода при применении циклового прогрева создаются благоприятные условия для непрерывного потока влаги от центра древесины к е поверхности. Здесь в качестве движущей силы выступает парциальное давление водяных паров, которое зависит от двух факторов 140 разности влажности в центре древесины и на е поверхности и разности температур в тех же точках, обусловленных законом термодиффузии.
По форме вышеприведнное предположение правильное - парциальное давление паров воды способно создать сдвиговое напряжение в центре доски. Данный эффект наблюдается при нагреве древесины лиственницы с одним уточнением - избыточное давление в центре доски формируется парогазовой смесью. Перепад влагосодержания, который, по мнению авторов, является одним из факторов создания парциального давления, не является таковым. Скорее наоборот - перепад влагосодержания формируется за счт парциального давления. Разность температур в центре доски и на поверхности может выступать в качестве фактора, способствующего созданию избыточного давления.
Однако при сушке лиственничных пиломатериалов данный фактор не может выступать в качестве решающего, так как временной отрезок, при котором сохраняется At = t4- tm, очень ограниченный и исчисляется несколькими часами в зависимости от толщины доски. По сравнению с общим временем сушки, которое измеряется сотнями часов, указанный временной отрезок очень мал. Поэтому эффект от термодиффузии, если и имеет место, то очень незначительный.
Следовательно, предлагаемая в работе [98] структура режимов сушки для сушки лиственничных пиломатериалов не может быть использована. Для доказательства данного положения приведм результаты опытной сушки лиственничной доски осциллирующими режимами (рисунок 4.1).
Сушка начинается с подъма температуры в сушильной установке до tc = 840С, что позволяет довести удельную скорость сушки до Gw = 0,22 … 0,35 кг/(м2ч). Снижение температуры агента сушки до t = 43 0С, как и следовало ожидать, понизило удельную скорость сушки до Gw = 0,04 кг/(м2ч), что в 5,5 … 8,8 раза ниже по сравнению с интенсивностью удаления воды в начале процесса.