Гідротермічна обробка деревини (ГТОД)

(Технологія сушки та

ГТОД – це процеси впливу на деревину тепла, вологого газу або рідини, які використовуються для зміни температури та вологості деревини або введення в неї речовин, що покращують її технологічні та експлуатаційні властивості.

Процеси ГТОД базуються на фізичних явищах переносу, а саме на явищах тепло- та масообміну матеріалу із оточуючим середовищем. За своїми особливостями та призначенням вони поділяються на три групи: процеси теплової обробки; процеси сушіння та процеси просочування.

Теплова обробка - процеси пов’язані з нагріванням деревини і підтримуванням температури на заданому рівні протягом часу.

Сушіння деревини - процес видалення з матеріалу вологи шляхом її випаровування або випарювання.

Просочування деревини - для технологічних цілій просочування найбільше значення мають консервування та вознезахист деревини.

Id-діаграма встановлює зв’язок між параметрами вологого повітря

Tp-діаграма встановлює зв’язок між параметрами вологого повітря будь-яких без обмеження станів

Топкові гази - утворюються при згорянні дров, деревних відходів, природного газу і мазуту.

Склад деревного палива (сухої деревини) мало залежить від породи і його можна вважати постійним. В вихідний склад входять компоненти: вуглець – 35,3%; водень-4,2%;кисень-29,4%;азот-0,4%;зола-0,7%;вологість-30%(це відносна вологість деревини). Разом 100% .

Для визначення стану топкового газу може бути застосована Id-діаграма з розширеною температурною шкалою. З метою встановлення взаємозалежності параметрів газу із складом та вологістю палива, а також умовами горіння останнього в топці на Id-діаграму наносять додаткові лінії постійної вологості палива W=const і коефіцієнта надлишку повітря α=const.

Для отримання топкового газу як агента сушіння спалювання палива проводять при α >1.

При повному спалюванні палива вміст вуглекислого газу залежить тільки від коеф. α і визначається (%) із співвідношення:

СО₂=20,2/ α.

Idα-діаграма для деревного палива може бути застосована для аналізу стану газів, що отримані при спалюванні мазуту та природного газу. Процес горіння мазуту досить точно характеризується на Idα-діаграмі лінією постійної вологості W =0, а природного газу - W =20%.

Стан, при якому повітря охолоджуючись об суху поверхню, досягає насичення наз. точкою роси, температура, що відповідає цьому стану – температурою роси t_р.

Випаровування повітрям вологи відбувається тоді, коли воно містить перегрітий пар і дотикається до поверхні води або вологого тіла. При цьому температура повітря знижується, а ступінь насиченості і вологовміст підвищуються. Тепловміст при цьому залишається постійним, тому що теплота витрачена на випаровування передається парі і залишається в ній у вигляді прихованої теплоти пароутворення.

Температура, при якій повітря випаровуючи вологу досягне стану насичення, наз. температурою границі охолодження t_г.ох.

Температура границі охолодження може бути виміряна змоченим термометром.

Коеф.пропорції суміші:

М₂ - маса відпрацьованого повітря, кг;

М_о - маса свіжого повітря, кг.

Рівняння балансу теплоти й вологи для визначення параметрів суміші повітря:

Якщо до 1 кг свіжого повітря в стані 0 додати n кг повітря в стані 2, рівняння балансу матимуть такий вигляд

звідки

Індекси 0 відповідають свіжому повітрю, а 2 – відпрацьованому.

Параметри суміші повітря різних станів (рівняння прямої лінії):

.

Якщо 1 кг пари з ентальпією i_п змішується з n кг повітря з параметрами d₁ і I₁ (за масою сухої частини), то параметри суміші обчислюють так:

ВЛАСТИВОСТІ ДЕРЕВИНИ, ЩО МАЮТЬ ЗНАЧЕННЯ ПІД ЧАС ЇЇ ГІДРОТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ (лекція 4)

Деревина є гігроскопічним матеріалом, тобто вона може змінювати свою вологість залежно від змін навколишнього середовища.

За кімнатної температури (t=20°С) межа гігроскопічності для більшості порід становить W_мг= 30%, у разі збільшення температури до t=100°C межа гігроскопічності зменшується до W_мг=19-20%.

Якщо помістити зразок деревини в середовище з постійними параметрами t і φ, то спостерігатимемо такі явища:

• якщо початкова вологість зразка W= 0%, то деревина поглинатиме вологу з повітря (сорбція). Вологість, яку матиме зразок деревини, зволожуючись за довгої витримки в такому середовищі, називається стійкою вологістю сорбції W_сс;

• якщо W_поч>W_мг , то волога випаровуватиметься з деревини (десорбція). Вологість, яку матиме зразок за довгої витримки в цьому середовищі називається стійкою вологістю десорбції W_сд.

Різниця між W_сд-W_сс=ΔW - називається гістерезисом сорбції. У подрібненої деревини ΔW = 0,2%, а у деревини товщиною більше за 15 мм ΔW = 2,5%.

Постійна вологість при сорбції і десорбції для сушіння:

атмосферного

камерного .

Повна об’ємна і лінійна усушка (%) в залежності від базової густини:

.

Усушка до конкретної вологості:

,

де К_У - коефіцієнт усушки.

Вплив на деревину температури нижчої за t =60 °С не знижує її експлуатаційної міцності незалежно від тривалості обробки.

Теплова обробка деревини

ГТОД пов’язана з явищами переміщення теплоти та речовини (води і пари) в оброблюваному матеріалі та оточуючому його газоподібному або рідкомі середовищі. Цим процесам дано загальну назву процесів або явищ тепломасопереносу.

Нагрівання будь-якого тіла є наслідком теплообміну. Розрізняють три елементарних види теплообміну: теплопровідність або кондукцію (переміщення тепла всередині тіла основане на взаємодії між собою молекул речовини); конвекцію ( переміщення теплоти, зв”язане із вільною або примусовою течією газа або рідини); випромінювання або радіація (передача теплової енергії у вигляді електромагнітних хвиль).

Елементарні явища у чистому вигляді зустрічаються діже рідко. Практичні способи нагрівання, як правило засновані на складних явищах теплообміну.

Основні способи нагрівання деревини, що застосовуються в промисловості:

кондуктивне (контактне) нагрівання – безпосереднє зіткнення деревини з нагріваючими поверхнями, що супроводжується теплопровідністю та тепловим випромінюванням. Кондуктивне нагрівання застосовується для двостороннього обігріву плоских широких сортиментів (щити, фанера тощо). З точки зору граничних умов процесу і методики розрахунку цей спосіб аналогічний конвективному нагріванню необмеженої пластини при інтенсивному поверхневому теплообміні.

радіаційне нагрівання опромінюванням деревини джерелами інфрачервоної радіації, що основане на тепловому випромінюванні та супроводжується теплопровідністю і конвекцією. Радіаційне нагрівання основане на поглинанні матеріалом променистої теплової енергії від розташованого на деякій відстані від нього джерела інфрачервоного випромінювання (довжина хвиль 0,8-400 мкм). Застосовується в основному для сушіння оздоблених лаками та фарбами поверхонь деревини.

діелектричне нагрівання в конденсаторі електричного коливального контура високої частоти, що основано на на взаємодії високочастотного елктромагнітного поля з деревиною, протягом якого в деревині генерується тепло за рахунок діелектричних втрат. Діелектричне нагрівання основане на тому, що деревина розміщена в конденсаторі високочастотного коливального контуру, інтенсивно нагрівається за рахунок діелектричних втрат. Інтенсивність нагрівання залежить від частоти коливань (пряма пропорційна залежність), діелектричних властивостей матеріалу. Використовується в ТВЧ або НВЧ сушарках.

конвективне нагрівання в тепловому або газоподібному середовищі (пар, повітря, вода), основане на конвекції оброблюючого середовища у поверхні деревини та теплопровідності і супроводжується також тепловим випромінюванням.

Найпоширені в промисловості процеси конвективного нагрівання.

Конвективне нагрівання деревини без зміни агрегатного стану.За таких умов (виключені процеси випаровування та розморожування) для аналізу процесу використовуються рівняння та методи теорії теплопровідності. При цьому вважається, що процес визначається двома фізичними явищами - теплопровідністю матеріалу і теплообміном його із середовищем.

Інтенсивність переміщення теплоти в матеріалі за рахунок теплопровідності характеризується рівнянням:

, (1)

де q - щільність теплового потоку ( кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю площі в заданому перерізі тіла) , Вт/м²; λ – коефіцієнт теплопровідності,Вт/м °С; t - температура, °С; x- координата точки тіла, м.

Величину - називають температурним градієнтом. Знак „-“ показує, що напрям температурного градієнта ( в бік підвищення температури) обернений до напряму потоку теплоти.

Інтенсивність конвективного теплообміну на межі між твердим тілом і рідиною або газом визначають за рівнянням Ньютона:

, (2)

де t_с – температура рідкого або газоподібного середовища; t_пов - температура поверхні тіла; α - коефіцієнт теплообміну , Вт/ м² °С, який залежить від умов конвекції ( вільної без спонукання або вимушеної) і обчислюється за відповідними формулами.

На практиці зустрічається в основному два види складного теплообміну: стаціонарний і нестаціонарний.

Стаціонарний теплообмін характеризується постійним у часі температурним полем. Прикладом його може бути передача теплоти через стінку. Кількість теплоти визначається рівнянням:

(3)

де α₁ і α₂ – коефіцієнту теплообміну на протилежних стінках; λ - теплопровідність матеріалу стінки; S- товщина стінки, t₁,t₂- температури на протилежних стінках; К- коефіцієнт теплопередачі, Вт/ м² °С.

Це рівняння використовують в техніці для визначення тепловтрат будівель і споруд в оточуюче середовище, а також для розрахунків теплообмінних пристроїв.

Нестаціонарний теплообмін характеризується змінним температурним полем у часі і просторі. Прикладом нестаціонарного теплообміну може бути нагрівання деревини в середовищі (вода, пара тощо), коли початкова температура матеріалу нижча за температуру середовища.

Зміна температури довільної точки при нестаціонарному теплообміні визначається диференціальним рівнянням Фур’є:

(4)

де τ- тривалість нагрівання; ρ – щільність тіла; c- умовна теплоємність тіла; x, y, z – координати заданої точки.

Закон Фур’є – Кількість переданої теплоти пропорційна падінню температури, часу та площі поперечного перетину, перпендикулярного напрямку розповсюдження теплоти.

Для одновимірних тіл (тілах, форма і розмір яких визначаються тільки одним лінійним вимірником - необмежена пластина, циліндр,куля), коли потік тепла напрямлений в один бік (наприклад,вісь х):

(5)

Величина , позначається а і називається коефіцієнтом температуропровідності ( м²/с) і є важливішим фізичним параметром матеріалу, що характеризує його теплоінерційність ( швидкість змінювання температури).

Основною задачею при розрахунках процесів нагрівання деревини є встановлення тривалості нагрівання, необхідної для доведення температури деревини до заданої і навпаки, встановлення температури матеріалу після її обробки протягом певного часу.

Вираз, який визначає температуру тієї чи іншої точки одновимірного тіла залежно від його координати і часу, можна отримати після інтегрування диференціального рівняння при граничних умовах ІІІ роду,

(6)

які встановлюють, що кількість теплоти, яка переноситься за одиницю часу теплопровідністю з поверхні в середину тіла, дорівнює кількості теплоти, яку приймає поверхня тіла (деревини) за той самий час з навколишнього середовища.

Диференціальне рівняння Фур’є для нестаціонарного теплообміну виведено на основі загальних законів фізики і описують явища у самому загальному вигляді. Існує велика кількість процесів тепловіддачі, які описуються тим же рівнянням, але відрізняються деякими особливостями. Щоб виділити процес, що розглядається та описати його математично однозначно, необхідно додати математичне описання всіх окремих особливостей, які називаються умовами однозначності або крайовими умовами. Вони складаються з:- геометричних умов (що характеризують форму і розміри тіла, в яких протікає процес); - фізичних умов ( що характеризують фізичні властивості середовища і тіла); - граничних умов (що характеризують особливості протікання процесу на границі тіла);- часових умов ( що характеризують особливості протікання процесу протягом часу).

В загальному вигляді рішення диференціального рівняння виражається функцією:

(7)

де - безрозмірна температура довільної точки тіла; x/R- безрозмірна координата точки; x- відстань від поверхні до заданої точки, R– характерний розмір тіла (радіус циліндра або половина товщини пластини); F_o- критерій Фур’є; Bi- критерій Біо. Значення  та x/R змінюються від 0 до1, а Bi та F_o від 0 до .

Це рівняння справедливо для випадку, коли нагрівання проходить у повітрі або суміші повітря з газами. Коли процес нагрівання проходить у воді або в насиченій парі (що в основному відбувається при тепловій обробці деревини), де є інтенсивний поверхневий теплообмін і малий перепад температур між тілом і середовищем, ГУ Ш роду можуть бути замінені на ГУ 1 роду – α, t_п  t_с, і рішення диференціального рівняння Фур’є має загальний вигляд :

(8)

Аналітичний вираз функції дуже складний і має вигляд нескінченого ряду. Для розв’язування практичних задач використовують графоаналітичний метод з використанням критеріїв подібності і спеціальних номограм. Критерії подібності являють собою безрозмірні комплекси фізичних величин, що характеризують певне явище. Застосовуються вони, як і теорія подібності, для математичного аналізу експериментальних даних. Для конвективного теплообміну визначальними критеріями подібності є критерії Фур’є (F_o) і Біо (Bi ) :

(9)

(10)

Безрозмірна температура виражається через змінну температуру заданої точки t, температуру середовища t_с і початкову температуру t_о відношенням:

(11)

Промислові сортименти звичайно мають по перетину круглу або прямокутну форму. У круглих сортиментів (колод, кряжів, оцупків) довжина значно більше за діаметр, тому при нагріванні їх можна без великої похибки вважати їх необмеженими циліндрами. Прямокутні сортименти (дошки, бруски) можна приймати за необмежені пластини за умови співвідношення товщини до ширини менше 0,3 .

Якщо співвідношення товщини бруса до ширини більше або дорівнює 0,3 , сортимент слід розглядати як паралелепіпед необмеженої довжини, що утворений перетином двох пластин товщинами, що чисельно відповідають товщині та ширині бруса. Загальна безрозмірна температура в певній точці такого паралелепіпеду дорівнює добутку безрозмірних температур, які б були в цій точці при окремому нагріванні цих двох пластин :

(12)

Якщо за умовою задачі необхідно визначити термін нагрівання прямокутного сортименту до заданої температури на центральній його вісі, необхідно спочатку розрахувати її для пластини меншого розміру сортименту (τ_s1), а потім помножити цю величину на коефіцієнт с_τ (за діаграмою), що вносить поправку на реальну форму тіла:

(13)

На виробництві, як правило, вирішують дві протилежні здачі:

- визначення терміна витримування деревини в гарячій воді або парі до досягнення на заданій відстані від поверхні певної температури ;

- визначення температури тієї або іншої точки тіла при заданому терміну нагрівання.

При проектуванні пристроїв для теплової обробки деревини визначають витрати теплоти на її нагрівання. Для цього розраховують середню інтегральну температуру оброблюваних сортиментів наприкінці процесу, яка в загальному виді характеризується для одномірного тіла функцією:

(14)

графіки якої наведені для необмеженої пластина і циліндра. Середня температура сортименту визначається з вищенаведеної формули:

(15)

Задачі. 1.Букові кряжі діаметром 30 см, вологістю 55 % і початковою температурою 15 °С нагріваються у воді при t_с= 70 °С. Визначити термін витримування, що необхідний для отримання всередині кряжа на колі уявного циліндра діаметром 10 см температури 40 °С.

Безрозмірна координата точок на цьому колі x/R= 0,67 {(15-5)/15)}.Безрозмірна температура на ній в кінці процесу повинна складати:  = (70-40)/(70-15)=0,545. Знаходимо за діаграмою критерій Фур’є F_o=0,16. Термін нагрівання визначається за формулою, в яку входить коеф. температуропровідності: a= λ/cρ. Деревина бука має ρ_б=530 кг/м³, а фактична її щільність при вологості 55% ρ=820 кг/м³. Для визначення λ і c необхідно знати середню розрахункову температуру, що дорівнює : (to+tc)/2=(15+70)/2=43 °С. Умовна теплоємність при вологості 55% за діаграмою С=2,85 кДж/кг °С; коеф.температуропровідності за діаграмою і формулою: λ= 0,36 1,07 1=0,385 Вт/м °С або Дж/кг °С. Тоді а = 0,385 / ( 2,85 10³ 820)=1,65 10^-7 м²/с. Термін нагрівання за формулою: τ= (0,16 0,0225)/ 1,65 10^-7 = 21800 с =6,1 год.

2.Для умов задачі 1 розрахувати середню інтегральну температуру кряжа в кінці нагрівання.

За графіком визначаємо при F_o=0,16 середню безрозмірну температуру =0,27 і за формулою обчислюємо t= 70-0,27(70-15)=55 °С.